Экспериментальное исследование тонкодисперсного распыла перегретой воды
На правах рукописи
МАРИНИЧЕВ Дмитрий Викторович
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ТОНКОДИСПЕРСНОГО РАСПЫЛА ПЕРЕГРЕТОЙ ВОДЫ
01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединенном институте высоких температур Российской академии наук.
Научный руководитель: доктор технических наук
Зейгарник Юрий Альбертович
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор,
МЭИ, Москва
Ягов В.В.;
доктор технических наук, профессор,
ОИВТ РАН, Москва
Поляков А.Ф.
Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, г. Санкт-Петербург.
Защита состоится "___"_____________2013 г. в ___ ч. ____ мин. на заседании диссертационного совета Д 002.110.02 Федерального государственного бюджетного учреждения Российской академии наук Объединенного института высоких температур РАН по адресу: 125412, Москва, ул. Ижорская, 13, строение 2, актовый зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.
Автореферат разослан "___"___________2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д. ф.-м.н. А.Л. Хомкин
© Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 2013
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время наращивание мощностей стационарной энергетики осуществляется преимущественно путем ввода парогазовых установок (ПГУ), у которых КПД лучших образцов приближается к 60 %. В свою очередь, технико-экономические показатели ПГУ в значительной мере определяются совершенством газотурбинной части комбинированного цикла, т.е. технико-экономическими характеристиками газотурбинной установки (ГТУ). Одним из путей повышения характеристик ГТУ является переход к сложному циклу, в том числе использование промежуточного охлаждения (в общем случае, приближение к изотермическому сжатию). В этом случае снижается техническая работа сжатия в компрессоре ГТУ, на которую затрачивается от 40 до 60 % работы расширения газов в турбине, т.е. без потери мощности снижается температура газов на входе в турбину, что благоприятно сказывается на ресурсе ГТУ или появляется возможность повысить мощность ГТУ без снижения ресурса ее работы.
Промежуточное охлаждение воздуха в компрессоре обычно осуществляется в поверхностном охладителе, устанавливаемом в рассечку между ступенями компрессора. Другим вариантом промежуточного охлаждения сжимаемого рабочего тела (воздуха) является впрыск воды в виде капель на вход в тракт компрессора и/или его промежуточные ступени, когда испаряющиеся капли воды забирают тепло от воздушного потока, охлаждая его. Чтобы обеспечить полное испарение капель за время их пребывания в тракте компрессора (оно исчисляется миллисекундами), необходимо интенсифицировать их испарение. Эффективность процесса испарения зависит от удельной поверхности капель, т.е. поверхности, приходящейся на единицу объема (массы) вводимой жидкости, которая обратно пропорциональна диаметру капель. Чем меньше капли, т.е. чем тоньше распыл влаги форсунками, тем интенсивней теплообмен капель с охлаждаемым горячим воздухом и их испарение.
Существует и второе важное обстоятельство, влияющее на интенсивность испарения. Крупные капли (диаметром 15 мкм и выше) достаточно инерционны, они осаждаются на рабочих лопатках компрессора и отбрасываются на его корпус. Поверхность образующихся пленок значительно меньше поверхности капель, ниже и коэффициенты теплоотдачи, что уменьшает количество тепла, отводимого от охлаждаемого воздуха. В результате, вводимая (впрыскиваемая) в тракт компрессора охлаждающая вода испаряется лишь частично и значительная часть введенной воды (до 20 %) следует транзитом в камеру сгорания ГТУ. На ее испарение затрачивается тепло топлива, ухудшая показатели ГТУ.
Тем самым, обеспечение тонкого распыла капель (до диаметра 2–3 мкм) является важной инженерной задачей.
Столь тонкий распыл не достижим в традиционно применяемых центробежных и пневматических форсунках любой конфигурации, в которых капли дробятся до диаметра 15 мкм и больше. Поэтому требуются принципиально новые технологические приемы. Одним из таких методов является использование сильно перегретой относительно температуры насыщения жидкости, предложенный в ряде работ, в частности фирмой Kema. В процессе истечения такой жидкости через сопло распыляющего устройства происходит ее взрывное вскипание, в результате которого жидкость дробится на тонкие фрагменты. Изучение закономерностей этого процесса составляет предмет выполненных исследований.
Цель работы: получение экспериментальной информации по характеристикам дисперсной фазы факелов распыла перегретой воды в условиях взрывного вскипания и выдача рекомендаций по реализации технологии впрыска перегретой воды в тракты компрессоров ГТУ. Основное внимание в диссертации уделено экспериментальному изучению влияния технологии распыла, типов форсунок и режимных параметров на получаемые размеры капель воды и их смешение с потоком сносящего воздуха.
Научная новизна работы заключается в том, что получен оригинальный опытный материал, позволяющий прояснить основные режимные параметры взрывного вскипания и дисперсионные характеристики факела распыла перегретой воды. Показано наличие бимодальной структуры размеров капель при распылах перегретой воды, что, по всей видимости, вызвано взаимодействием двух механизмов дробления жидкости, одним из которых является взрывное вскипание. Показано незначительное влияние добавок в виде растворенного газа на фрагментирование факелов распыла при существенных перегревах жидкости. Отмечен эффект «шнурования» тонкодисперсных факелов распыла, что затрудняет их перемешивание со сносящим потоком воздуха.
Достоверность работы подтверждена использованием в экспериментах системы измерения размеров частиц собственной разработки, тщательными измерениями индикатрис рассеяния света в широком диапазоне углов, выполненными в комплексе с кино-фотосъемками процессов, использованием термозондовых измерений факелов распыла, сопоставлением полученных данных с имеющимися экспериментальными данными других авторов.
Практическая ценность работы. Полученные результаты обеспечивают надежное проектирование эффективных систем впрыска воды в компрессоры ГТУ.
Положения выносимые на защиту.
1. Результаты методических разработок:
методику получения тонкодисперсного распыла вводы вплоть до субмикронных размеров; методику измерения размеров капель в факелах распыла воды и ее аппаратное и приборное обеспечение; методику определения границ факелов распыла.
2. Результаты экспериментальных исследований впрысков перегретой воды в воздушный поток, в частности, дисперсионные характеристики факелов распыла, данные по эволюции факелов распыла и режимные параметры, обеспечивающие тонкодисперсный распыл воды путем взрывного вскипания.
3. Рекомендации по реализации технологии тонкодисперсного распыла воды в компрессорах ГТУ.
Апробация работы и публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 печатных работах, в том числе в четырех статьях в рецензируемых журналах, включенных в список ВАК. Вопросы, изложенные в диссертации, были доложены на международной конференции по тепломассобмену (14th International Heat Transfer Conference, 2010, Washington), 5-й Российской национальной конференции по тепломассообмену (2010, Москва) и обсуждены на 3-м теплофизическом семинаре "Турбулентные газокапельные струи" (2011 г., Санкт-Петербург). Работа являлась составной частью Контракта с Федеральным агентством по науке и инновациям (Контракт №2008-6-1.6-19-01-006) и поддерживалась РФФИ (грант 09–08–00258а).
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав основного текста и заключения. Работа изложена на 116 листах машинописного текста, содержит 2 таблицы и 52 рисунка. Список литературы содержит 68 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В разделе 1.1 приведен обзор современных высокоэффективных циклов ГТУ.
Выполненный анализ позволил сделать следующие заключения:
• Впрыск воды в тракт компрессора является эффективным средством повышения абсолютной и удельной мощностей ГТУ, а во многих случаях и его КПД.
• Время пребывания впрыскиваемой воды в компрессоре весьма мало, что требует максимально высоких темпов испарения капель. Для эффективного испарения капель их размер должен быть достаточно мал, так как скорость испарения единичной концентрации (массы) капель при одинаковом температурном напоре обратно пропорциональна квадрату их размера.
• Имеется ряд отечественных экспериментальных и расчетных исследований эффективности ввода воды в компрессор ГТУ (СПбГТУ, ММПП "Салют" и др.). Все они выполнены на холодной воде. Исследования с впрыском перегретой воды не проводились.
В главе 1 описаны методы тонкого распыла и механизмы дробления жидкости. Там же представлен анализ немногочисленных работ по теоретическому и экспериментальному исследованию дисперсионных характеристик факелов распыла перегретой воды. Внешний вид и эволюция факелов изучалась в Институте теплофизики УРО РАН; некоторый анализ гидродинамики вскипающих потоков в каналах распыливающих устройств содержится в работах E. Sher с сотрудниками (Университет Бен-Гуриона, Израиль); фотографии распыла приведены в работах фирмы Kema. В этих работах данные по дисперсионным характеристикам факелов распыла сильно перегретой воды отсутствуют.
В разделе 1.2 рассмотрены современные методы определения дисперсионных характеристик факелов распыла. Сегодня наиболее эффективным инструментом измерения размеров капель являются методы, основанные на измерении рассеяния лазерного излучения. Достоинством этих методов являются гибкие возможности по их комплексной автоматизации, включая обработку результатов измерений. Недостатком является то, что в отличие от фотоизмерений получаемые результаты – непрямые, и требуется их дополнительная обработка в соответствии с принятой теорией рассеяния (решение обратной задачи).
Метод рассеяния лазерного излучения основан на измерении распределения интенсивности рассеянного монохроматического (лазерного) света под разными углами, которая в случае частиц шаровой формы зависит от их размера и природы, а в случае полидисперсной смеси и от распределения частиц по размерам
,
где I и I0 интенсивность рассеянного и падающего света; r расстояние между частицей и точкой наблюдения, k = 2d / – параметр, характеризующий отношение диаметра частицы d к длине волны лазера, m – относительный показатель преломления частицы, и – угол рассеяния.
При известной функции рассеяния на частице F(k, m, ), измерив отношение I / I0, решая обратную задачу, можно найти ее размер. В случае рассеяния света на множестве монодисперсных частиц функция рассеяния F(N, k, m, ) = NF(k, m, ) прямо пропорциональна числу (концентрации) частиц N, а в случае полидисперсной среды – зависит от функции распределения частиц по размерам F(Ni, ki, m, ) = NiF(ki, m, ). Заметим, что с увеличением диапазона углов измерений интенсивности рассеянного лазерного излучения обратная задача по нахождению размеров частиц становится лучше определена.
Для выполнения вышеприведенного закона рассеяния объемная концентрация частиц не должна быть значительной, иначе будет иметь место многократное рассеяние света, искажающее результаты измерений. Исследование многократного рассеяния в факелах распыла проведено C. Dumouchel. В частности, им показано, что для характерных факелов распыла при определенном светопропускании 
вкладом вторичного рассеяния можно пренебречь. Это условие соблюдалось в наших экспериментах.
Решение задачи об определении F (k, m, ) для любых размеров частицы в форме шара было найдено Г. Ми. Решение основано на знании об электромагнитной природе света и решении системы уравнений максвелла для распространения монохроматического света в среде при наличии в ней частицы. Данное решение используется в нашей работе.
В результате проведенного анализа были сформулированы представленные выше цели работы.
В разделе 2 приведено описание методики исследования и экспериментальной установки.
Схема рабочего участка для исследования спектра размеров капель перегретой воды показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема рабочего участка и системы регистрации излучения:
1 – рабочий участок — труба 1301 мм, длина 1500 мм; 2 – входное устройство — труба 1301 мм, длина 400 мм; 3 – хонейкомб 1515мм, длина 200 мм; 4 – патрубки подвода воздуха 1001 мм; 5 – форсунка; 6 – видеокамера; 7 – поворотный стол; 8 – источник монохроматического излучения; 9 – ограничительная диафрагма; 10 – ослабляющий нейтральный светофильтр; 11 – регистрирующее устройство интенсивности рассеянного излучения c фотодиодным модулем; 12 – апертурная диафрагма; 13 – объектив; 14 – ловушка прямого излучения с фотодиодом для регистрации ослабления зондирующего излучения ; 15 – датчики влажности и температуры
Рабочий участок 1 представляет собой тонкостенный металлический трубопровод. Форсунка 5 могла быть ориентирована как вдоль оси рабочего участка, так и под любым заданным углом к направлению движения воздуха. Расстояние от среза сопла форсунки до точки оптических измерений также могло изменяться от опыта к опыту в соответствии с задачами эксперимента. Для визуального наблюдения факела распыла и его видео- и фотосъемки входная часть рабочего участка оснащена стеклянными окнами. Съемка производились видеокамерой 6 с использованием подсветки от осветителя. Угловая зависимость интенсивности рассеянного света лазера измерялась с постоянной угловой скоростью 4,5 град/с в диапазоне углов от – 45 до +45°.
В экспериментах в качестве источника монохроматического излучения 8 использовались газовый гелий-неоновый лазер ЛГН-207А с длиной волны излучения 632,8 нм или твердотельные лазерные модули KLM с длиной волны излучения 532, 650 и 808 нм.
В качестве датчика интенсивности излучения, рассеянного на каплях света, использовался фотодиод 11 с размером чувствительного элемента 2,52,5 мм и интегрирующим 12 разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), который располагался в фокальной плоскости фокусирующего фотообъектива 13 типа ГРАНИТ-11 4,5/80-200 с переменным фокусным расстоянием.
Для снижения паразитной засветки датчиков прямым излучением лазера при регистрации рассеянного излучения на поворотном столе устанавливалась ловушка 14, представляющая собой модель абсолютно черного тела (исключалось излучение в диапазоне углов ±1,8°). Одновременно исключалось влияние рассеяния «вперед» от частиц наиболее крупного размера. Для измерения сред с различной оптической плотностью, при постоянной мощности лазерного излучения, использовался набор нейтральных светофильтров 10.
Регистрация углового распределения интенсивности рассеянного излучения осуществлялась следующим способом. Оптическая система 8 – 10, формирующая зондирующий лазерный световой пучок, вращалась в горизонтальной плоскости на определенный угол относительно точки пересечения измеряемого сечения и оси факела распыла. Рассеянное лазерное излучение ограничивалось диафрагмой 12 с диаметром отверстия 2 мм. При частоте регистрации 100 Гц в течение 20 с определялись 2000 локальных значений интенсивности, которые давали угловую зависимость рассеянного излучения.
При обработке результатов измерений экспериментальная угловая индикатриса рассеяния принималась как средняя двух индикатрис, определенных в положительном и отрицательном направлениях вращения оптической системы. К найденной экспериментальной индикатрисе рассеяния вводилась поправка на размер исследуемого рассеивающего объема, пропорциональная синуса угла поворота.
Для нахождения расчетной индикатрисы рассеяния отдельных капель использовался разработанный д.т.н. Л. А. Домбровским на основе теории Ми численный код, написанный на языке Фортран. Используя индикатрисы рассеяния индивидуальных капель, задавая функцию распределения капель по размерам, с помощью специальной расчетной программы находилась теоретическая суммарная индикатриса рассеяния полидисперсной среды выбранного состава. Обратная задача нахождения размеров частиц решалась с помощью сравнения экспериментальной индикатрисы рассеяния с расчетной.
Функция распределения капель по размерам в расчетной программе задавалась итеративным подбором весовых коэффициентов (массового содержания капель) по спектру из 32-х диаметров. Как показала практика обработки результатов измерений, это число близко к оптимальному: оно обеспечивает приемлемую точность при умеренных трудозатратах.
Перед серией основных экспериментов была проведена верификация используемой системы измерений на образцовых частицах полистирола производства Duke Scientific Corp размерами dпол = 2, 5 и 10 мкм. Результаты верификации методики измерений показали точность лучше 0,1 мкм.
В разделе 3 представлены результаты экспериментальных исследований факелов распыла.
Измерения характеристик рассеяния лазерного излучения образующимися факелами распыла воды несут в себе основную информацию о дисперсионных параметрах исследуемой среды. С уменьшением размеров частиц рассеяние света усиливается, а интенсивность рассеянного излучения на больших углах возрастает. Напротив, для частиц размеров d 10 мкм основная часть рассеянного лазерного излучения сосредоточена на угле < 5.
На рис. 2 представлены индикатрисы рассеяния, измеренные в сечение факела распыла воды центробежной форсунки на расстоянии 60 мм от среза сопла форсунки (расстояние от оси факела распыла r = 0) при различной температуре распыливаемой воды. Ход кривых рассеяния на рис. 2 показывает, что при температуре воды выше 170 °С в исследованном потоке содержатся как капли субмикронных размеров (наличие рассеянного излучения на больших углах), так и сравнительно крупные капли размером в единицы микрометра (существенное падение измеренной интенсивности света на малых углах).
Рис. 2. Экспериментальные индикатрисы рассеяния для различных температур впрыскиваемой воды (центробежная форсунка, d = 0,6 мм, G = 8 г/с, p = 8 МПа, tвозд = 25 С);
температура распыливаемой воды, С: 25 (1), 170 (2), 200 (3), 240 (4)
На рис. 3 показаны гистограммы (доли) капель разного размера, найденные по описанной выше методике. Там же приведены кривые суммарной массовой доли капель (сплошная линия), считая (условно) от капель нулевого радиуса. При этом для перегретой воды наблюдается явно выраженная бимодальная (двугорбая) структура распределения частиц по размерам. Впервые это было обнаружено в наших экспериментах.
Из рис. 3 видно, что при температуре воды 25 °С практически все капли имеют радиус более 2 мкм. Средний радиус капель лежит в диапазоне 7 10 мкм, что типично для распылов холодной воды центробежными механическими форсунками и хорошо совпадает с литературными источниками. При Tв = 240 °С 65 % капель (по массе) имеют радиус менее 1 мкм. Данный эффект достигается на обоих исследованных типах форсунок: центробежной (рис. 3, б) и струйной (рис. 4, а).
Дисперсионные характеристики факела распыла, измеренные для трех положений зондирующего лазера относительно оси факела, показаны на рис. 4. Из рисунка видно, что по краям факела распыла наблюдается уменьшение до 10% доли субмикронных капель относительно их общей массы. Такое изменение дисперсионных характеристик, по-видимому, связано с более интенсивными процессами испарения на краях факела, где воздушно-паро-капельная смесь содержит большую долю сухого воздуха.
Таким образом, выполненные эксперименты показали, что распыл перегретой воды обеспечивает поставленную цель исследований – достижение тонкой фрагментации жидкости, т.е. получение капель диаметром менее 2 – 3 мкм. При этом необходимо отметить, что все же определенная доля (до 35 %) капель более крупного размера диаметром 7 – 10 мкм остается в потоке, но их размер все же в 1,5 2 раза (а объем в 4 8 раз) меньше, чем при распыле холодной воды.
 Радиус капель, мкм |  Радиус капель, мкм |
Рис. 3 (слева). Распределение капель по размерам (центробежная форсунка d = 0,6 мм, расстояние от среза сопла форсунки x = 60 мм, tвозд = 25 С):
a – tводы = 25 °С и b – tводы = 240 °С
Рис. 4 (справа). Распределение капель по размерам (струйная форсунка d = 0,3 мм, расположение перпендикулярно потоку, uвоздуха = 40 м/c, расстояние от среза сопла форсунки x = = 60 мм, tводы = 240 °С, tвозд = 25 С):
а – ось факела распыла; b – верхняя граница факела; с – нижняя граница факела
Видеосъемки процесса распыла позволили определить изменение формы факела капель в потоке воздуха при вариации давления и температуры воды перед форсункой (рис. 5).
С повышением температуры воды факел вытягивается, переходит от конической формы с углом раскрытия ~ 70°, характерной для распыла холодной воды (рис. 5, а) к параболической (рис. 5, в). Он как бы следует за воздушным потоком, одновременно становясь существенно менее прозрачным, что свидетельствует об уменьшении размеров капель и росте доли мелких капель по мере повышения температуры воды перед форсункой.
 |  |
 |  |
Рис. 5. Результаты фотосъемки факелов распыла.
Центробежная форсунка d = 0,6 мм, pв = 8 МПа, tвозд = 25 С;
форсунка расположена соосно потоку (а – в) и под углом к потоку воздуха (г)
По-видимому, в данном случае более правильно говорить об изменении формы факела распыла мелких капель, так как остающиеся более крупные капли сравнительно слабо отклоняются воздушным потоком. На рис. 6, б, полученном при промежуточной температуре 170 °С, можно наблюдать как «сжатый» воздушным потоком факел мелких капель, так и «следы» конуса крупных капель.
Сильное влияние потока воздуха на траекторию капель малого размера хорошо прослеживается при расположении форсунки под углом к воздушному потоку Факела распыла разворачивается в направлении потока воздуха.
Поскольку видимый непрозрачный факел формируется непосредственно по выходе из форсунки, можно полагать, что тонкое диспергирование капель определяется в основном взрывным вскипанием выходящего из форсунки потока перегретой воды, а не его взаимодействием с потоком воздуха.
Эксперименты показали высокую степень «шнурования» факела распыла перегретой воды (рис. 5, в), когда он приобретает вытянутую форму с небольшим (20–25°) углом раскрытия по длине. Для сравнения, распыл неперегретой воды (рис. 5, а) дает конус с углом при вершине приблизительно 60–70°, не сжимающийся под действием сносящего потока воздуха.
С помощью термопарных зондов были проведены исследования температуры в невозмущенном воздушном потоке за пределами факела распыла и на оси факела. Данные измерения предоставили дополнительные сведения о границах и эволюции факела распыла. Показания термопар в воздушно-паро-капельном потоке соответствовали температурам насыщения жидкости при локальных парциальных давлениях водяных паров. Поэтому результаты термопарного зондирования могут приниматься как достоверные показания температуры потока только в области за пределами факела распыла или вблизи форсунки на оси факела распыла, куда несущий воздушный поток подмешен в малых количествах. В первом случае отсутствуют капли на корольке термопары, что приводит к измерениям истинной температуры однофазного воздушного потока, а во втором случае влагосодержание близко к 100 %, что также приводит к измерению истинной температуры, но уже водяного пара.
Результаты термопарного зондирования факелов распыла для двух температур воздуха представлены на рисунке 6. На приведенном рисунке виден характерный максимум показаний термопар по центру факела распыла, в «струе» диаметром 7-10 мм. Эти центральные части факелов (~10 % площади поперечного сечения факела) пронизываются высокоскоростным потоком пара, образующегося в результате срабатывания тепла начального перегрева воды и резкого парообразования на выходе из сопла форсунки, что соответсвует парциальному давлению паров в центральной зоне факела, близкому к 0,1 МПа. Соответствующая температура в центральной зоне определяется этим парциальным давлением и приближается к 100 °С.
  а) |   б) |
Рис. 6. Результаты термопарного зондирования потока на различных расстояниях L от среза сопла форсунки
(uвозд = 40 м/с, центробежная форсунка d = 0,6 мм, Gводы = 7 г/с, p = 8,0 МПа, tводы = 240 °С)
Дополнительно были проведены опыты по интенсификации распыла перегретой воды, которые показали, что растворение в воде углекислого газа существенно снижает долю крупных капель в дисперсионном распределении, особенно в диапазоне температур воды перед форсунками от 25 до 170C (рис. 7).
Добавки как в перегретую, так и холодную воду, поверхностно-активных веществ (ПАВ) существенно не изменили дисперсионные характеристики факелов распыла, добавки углеродных наночастиц d 30 нм увеличивают долю малых капель d < 2 мкм до 90 %.
Рис. 7. Гистограмма объемного (массового) содержания капель диаметром менее 2 (нижняя часть столбцов) и 4 мкм в факеле распыла центробежной форсунки (d = 0,65 мм, Gводы – 8,5 г/с, pводы – 5,5 МПа, tвозд = 25 С) для деаэрированной воды и воды, насыщенной СО2
В разделе 4 представлены технологические схемы впрыска перегретой воды в ГТУ и ПГУ, разработанные на основе проведенных экспериментов.
В варианте ПГУ впрыскиваемая горячая вода с температурой 200–220 °С отбирается из входного коллектора экономайзера котла-утилизатора ПГУ. В варианте ГТУ подогрев впрыскиваемой воды до нужной температуры осуществляется в специальном трубчатом подогревателе, обогреваемом отработанными продуктами сгорания газовой турбины. Подогреватель устанавливается в выходном канале газовой турбины.
В обоих вариантах должна быть предусмотрена установка фильтров тонкой очистки. Газотурбинная установка должна быть снабжена устройствами для периодической промывки тракта компрессора на ходу и развитой системой дренажей для надежной продувки системы при пусках. Технология такой отмывки отработана для газотурбинных двигателей морского назначения.
Была проведена серия экспериментов по определению тепловых и динамических характеристик при впрыске перегретой воды на газовой турбине ТВ3-117 мощностью 1,2 МВт Демоцентра ОИВТ РАН. Прирост мощности установки при впрыске 240 градусной воды в количестве ~ 1,5 % от расхода воздуха через компрессор и поддержании постоянной температуре газов за камерой сгорания оказывается значительным – 9 - 12 %. При этом, согласно данным измерений, количество неиспарившейся влаги не превышает 8 % от введенного количества воды.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Ввод воды и пара в тракт ГТУ позволяет совершенствовать схемы установок, улучшать их технико-экономические характеристики и эксплуатационные показатели. В частности, впрыск воды в тракт компрессора ГТУ является эффективным средством повышения мощности, динамических характеристик и КПД установок. Для более успешной реализации данной технологии необходимо достижение тонкого распыла вводимой жидкости.
2. Показано, что тонкий распыл воды с преобладанием капель диаметром менее 3 мкм может быть достигнут в результате применения технологии взрывного вскипания сильно перегретой жидкости.
3. Разработана методика определения дисперсионных характеристик образующегося при распыле перегретой воды воздушно-паро-капельного потока, базирующаяся на измерении распределения интенсивности рассеяния зондирующего лазерного излучения в широком диапазоне углов. Распределение частиц по размерам находится из этого измеренного распределения решением обратной задачи рассеяния света на базе теории рассеяния Ми.
4. Создана экспериментальная установка для исследования дисперсионных характеристик распыла воды форсунками разного типа в диапазоне температур распыляемой воды от 20 до 250 С и давления перед форсункой до 15 МПа. Кроме оптических измерений, на установке используются фото и видеосъемка, термопарное зондирование факелов распыла.
5. Проведены эксперименты по измерению дисперсионных характеристик распыла воды в диапазоне температур 20-250 С и давлении перед форсункой 8 МПа. Распыл осуществлялся в сносящем воздушном потоке атмосферного давления, движущемся со скоростью до 40 м/c.
6. Впервые установлено, что при распыле перегретой воды распределение капель по размерам носит явно выраженный бимодальный характер. При этом при температуре распыляемой воды 220-240 С 65-70% капель (по массе) имеет диаметр менее 3 мкм, а средний диаметр крупных капель (около 8мкм), что примерно в 1,5-2,5 раза меньше, чем при распыле холодной воды. При распыле холодной воды (до 150 С) распределение капель по размерам остается одномодальным.
7. Показано, что бимодальное распределение капель по размерам при распыле перегретой воды не зависит от типа форсунки: центробежная или струйная.
8. Доминирующим механизмом распыла перегретой воды является ее объемное взрывное вскипание (flashing). Пересыщение жидкости растворенным углекислым газом при температурах до 240 °С несущественно сказываются на дисперсионных характеристиках факела распыла перегретой воды, добавки частиц размером ~ 30 нм позволяют получать 90 % капель (по массе) с d 2 мкм.
9. Получены термограммы и фотографии эволюции факелов распыла при различных температурах распыляемой жидкости. При высоких температурах распыла образующиеся капли воды, будучи малыми по размерам, следуют за потоком сносящего воздуха, формируя более компактный шнурующийся факел. Данные кинофотосъемки и термограмм факелов распыла хорошо согласуются между собой.
10. Приведены исходные данные и рекомендации для проектирования систем впрыска перегретой воды.
11. Эффективность работы системы впрыска перегретой воды продемонстрирована экспериментами на газовой турбине ТВ3-117 демоцентра ОИВТ РАН.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н. Л.А. Домбровскому за ценные советы при разработке методики эксперимента и к.ф.-м.н. В.Л. Низовскому за постоянную помощь в выполнении работы.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
- Вараксин А.Ю., Алексеев В.Б., Залкинд В.И., Зейгарник Ю.А., Мариничев Д.В., Низовский В.Л., Низовский Л.В. Взрывное вскипание перегретой жидкости как способ ее тонкой фрагментации // Доклады академии наук. 2013. Т. 448. № 6. С. 654.
- Алексеев В.Б., Залкинд В.И., Зейгарник Ю.А., Мариничев Д.В., Низовский В.Л., Низовский Л.В. Впрыск высокодисперсионной воды в компрессоры ГТУ: теплофизические исследования и инженерные проблемы // Тепловые процессы в технике. 2011. № 11. С. 490-499.
- Мариничев Д.В., Низовский Л.В. Характеристики факелов распыла при впрыске сильно перегретой воды в воздушный поток // Труды 5-й Российской национальной конференции по теплообмену. РНКТ5. 2010 г. Том 8. С. 103-106.
- Алексеев В.Б., Залкинд В.И., Зейгарник Ю.А., Мариничев Д.В., Низовский В.Л., Низовский Л.В. Теплофизические и инженерные проблемы мелкодисперсионного распыла и впрыска воды в компрессоры ГТУ // Труды 5-й Российской национальной конференции по теплообмену. РНКТ5. 2010 г. Том 5. С. 125-128.
- Marinichev D.V., Nizovskii L.V., Nizovskii V.L., Zalkind V.I., Zeigarnik Y.A. Atomization of Superheated Water // Proceedings of the 14th International Heat Transfer Conference. IHTC14. Washington, USA. 2010. С. 667-675.
- Алексеев В.Б., Залкинд В.И., Зейгарник Ю.А., Мариничев Д.В., Низовский В.Л., Низовский Л.В., Оксман А.А., Силина Н.Н., Ходаков К.А. Развитие факела распыла перегретой воды в воздушном потоке // Теплоэнергетика. 2010. № 3. С. 23-27.
- Алексеев В.Б., Залкинд В.И., Зейгарник Ю.А., Мариничев Д.В., Низовский В.Л., Низовский Л.В. Осевой компрессор с системой впрыска мелкодисперсионной воды. Патент на полезную модель RUS 95764 28.09.2009.
- Зейгарник Ю.А., Залкинд В.И., Мариничев Д.В., Низовский В.Л. Экспериментальное исследование распыла перегретой воды с целью оптимизации системы впрыска в компрессоры ГТУ // Труды I Международной научно-технической конференции. Энергетические установки: тепломассообмен и процессы горения. Рыбинк: РГАТА. 2009 г. С.123-126.
- Домбровский Л.А., Залкинд В.И., Зейгарник Ю.А., Мариничев Д.В., Низовский В.Л., Оксман А.А., Ходаков К.А. Распыление перегретой воды: результаты экспериментальных исследований // Теплоэнергетика. 2009. № 3. С. 12-20.
Мариничев Дмитрий Викторович
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ТОНКОДИСПЕРСНОГО РАСПЫЛА ПЕРЕГРЕТОЙ ВОДЫ
Автореферат
| Подписано в печать 22.04.2013 | Формат 60х84/16 | |
| Печать офсетная | Уч.-изд.л. 1.0 | Усл.-печ.л. 0,92 |
| Тираж 100 экз. | Заказ N | Бесплатно |
| ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., 13, стр. 2 | ||
