научная статья по теме ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ВОДОРОДНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МИНИ-ПАРОГЕНЕРАТОРОВ С ВИХРЕВЫМИ КАМЕРАМИ СГОРАНИЯ Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ВОДОРОДНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МИНИ-ПАРОГЕНЕРАТОРОВ С ВИХРЕВЫМИ КАМЕРАМИ СГОРАНИЯ»

УДК: 621.165; 662.75/76

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ВОДОРОДНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МИНИ-ПАРОГЕНЕРАТОРОВ С ВИХРЕВЫМИ КАМЕРАМИ СГОРАНИЯ

В.А. Ильичев1, В.И. Пригожин1, А.Р. Савич1, А.Н. Лешов1, С.П. Малышенко2

1ОАО КБХА, Россия, 394006, г. Воронеж, ул. Ворошилова, д. 20 e-mail: cadbik@inbox.ru 2ОИВТ РАН, Россия, 125412, г. Москва, ул. Ижорская, д. 13, стр. 2 e-mail: h2lab@mail.ru

Заключение Совета рецензентов 06.08.09 Заключение Совета экспертов 10.08.09 Принято к публикации 15.08.09

В работе представлены конструктивные особенности водородных высокотемпературных мини-парогенераторов с вихревыми камерами сгорания, описаны условия проведения экспериментальных исследований протекающих рабочих процессов горения и смесеобразования, показаны полученные результаты.

EXPERIMENTAL RESEARCHES OF WORKING PROCESSES OF HYDROGEN HIGH-TEMPERATURE MINI STEAM GENERATORS WITH SWIRL COMBUSTION

CHAMBERS

V.A. Ilyichev1, V.I. Prigozhin1, A.R. Savich1, A.N. Leshov1, S.P. Malyshenko2

1OSC KBKhA, 20 Voroshilov st., Voronezh, Russia, 394006 e-mail: cadbik@inbox.ru Joint Institute of High Temperatures RAS 13/2 Izhorskaya st., Moscow, Russia, 125412 e-mail: h2lab@mail.ru

Referred: 06.08.09 Expertise: 10.08.09 Accepted: 15.08.09.

Design features of hydrogen high-temperature mini steam generators with swirl combustion chambers are presented in the paper, the conditions of conducting experimental researches of combustion and mixture formation are described; the obtained results are shown.

Станислав Петрович Малышенко

Сведения об авторе: заведующий Лабораторией водородных энергетических технологий ОИВТ РАН, д-р физ.-мат наук, профессор.

Образование: Московский энер-гетический институт (1963 г.).

Область научных интересов: специалист в области водородной энергетики и теплофизики. Публикации: более 160, из них 2 монографии и 10 патентов.

Сведения об авторе: инженер-конструктор Испытательного комплекса ОАО КБХА. Образование: Воронежский государственный технический университет (2007 г.). Область научных интересов: специалист в области испытания водородо-кислородных паротурбинных энергоустановок. Публикации: 1.

Андрей Николаевич Лешов

Статья поступила в редакцию 17.07.2009. Ред. рег. № 570

The article has entered in publishing office 17.07.2009. Ed. reg. No 570

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (76) 2009

© Scientific Technical Centre «TATA», 2009

Одним из перспективных направлений повышения эффективности использования природных энергоресурсов в системах энергообеспечения является создание и применение водородных энергоустановок паротурбинного цикла [1-4]. Ключевыми новыми элементами таких энергоустановок являются водо-родо-кислородные парогенераторы, работы по созданию которых выполнялись в России, Германии, Японии и США [5-7]. Высокая эффективность водо-родо-кислородных паротурбинных энергоустановок определяется уникальными свойствами водорода как топлива: широкими концентрационными пределами воспламенения и устойчивого горения, высокими скоростями распространения пламени (в 7 раз выше, чем для метана), низкой энергией активации при сгорании в кислороде и воздухе. Удельные тепловые мощности, передаваемые через сечение сопла камеры сгорания, для водорода в 1,7 раза выше, чем для метана. Эти свойства позволяют обеспечить высокую стабильность работы камер сгорания в широком интервале составов топливной композиции при небольших размерах водородных парогенераторов и их умеренной стоимости. Продукт сгорания водорода -водяной пар - при температуре окружающей среды полностью конденсируется, т. е. эксергия водорода как топлива может быть использована с максимальной эффективностью.

В России пионером развития исследований и разработок, направленных на создание эффективных водородо-кислородных парогенераторов, является Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), г. Москва. Сотрудниками института был разработан и создан высокотемпературный во-дородо-кислородный мини-парогенератор с тепловой мощностью до 150 кВт. Он вырабатывает перегретый пар с температурой до 1000 К и давлением в камере сгорания до 30 кгс/см2 и работает при стехио-метрическом соотношении компонентов а ~ 1 [6, 7]. Мини-парогенератор предназначен для использования в различных паротурбинных и парогазовых установках промышленной энергетики малой мощности. Основным узлом мини-парогенератора является камера сгорания компонентов топлива с конвективным охлаждением огневой стенки, состоящей из бронзовой жаровой трубы и стального корпуса (рис. 1). Охлаждающая вода поступает в тракт охлаждения камеры сгорания, образованный мини-каналами между бронзовой жаровой трубой и стальным корпусом, и после тракта охлаждения - в камеру испарения. Этим обеспечивается минимизация тепловых потерь и высокий КПД устройства. Отсутствие избытка продуктов реакции горения водорода в кислороде в камере сгорания такой конструкции позволяет обеспечить высокую полноту сгорания топлива.

Вместе с тем для мини-парогенератора такой конструкции требования к содержанию примесей в охлаждающей воде достаточно жесткие (должна использоваться химобессоленная деаэрированная вода), ибо тепловые потоки на стенки камеры сгорания

весьма высоки (более 1 МВт/м2) и вскипание воды в мини-каналах может привести к прогару жаровой трубы. Наличие мелких твердых частиц в охлаждающей воде также недопустимо.

Рис. 1. Камера сгорания с конвективным охлаждением огневой стенки: 1 - корпус из стали 12Х18Н10Т; 2 - втулка из стали ХН55МБЮ; 3 - бронзовая жаровая труба

с водяными трактами охлаждения из сплава БрХ-0,8 Fig.1. Combustion chamber with convection cooling of the firing wall: 1 - casing made of 12Х18Н10Т steel; 2 - hub of ХН55МБЮ steel; 3 - bronze flue tube with water cooling channels of БрХ-0,8 alloy

Необходимость исключения кипения в мини-каналах системы охлаждения камеры сгорания приводит к ограничениям минимальных расходов охлаждающей воды. Поскольку вода из системы охлаждения камеры сгорания поступает в камеру испарения, это означает и ограничение на доступные степени перегрева пара. В ходе экспериментальной отработки мини-парогенератора, проводившейся на Испытательном комплексе ОАО КБХА совместно с ОИВТ РАН, эпизодически проявлялись локальные дефекты камеры сгорания, выраженные в «пролизе» и уносе материала огневой стенки в районе минимального сечения сопла, вызванные недостаточной степенью очистки охлаждающей воды и возникновением кипения в мини-каналах рубашки охлаждения камеры сгорания в окрестности сопла.

Необходимо также учесть, что изготовление экспериментальных образцов камер сгорания с конвективным охлаждением огневой стенки является достаточно сложным технологическим процессом, связанным с необходимостью применения значительного количества производственной оснастки. При этом жаровая труба камеры сгорания выполняется из дорогостоящего бронзового сплава БрХ-0,8 в достаточно сложном конструктивном исполнении.

Отмеченные выше проблемы подтолкнули к поиску новых, более технологичных и дешевых вариантов исполнения конструкции камер сгорания, работающих в аналогичных условиях (стехиометриче-ское соотношение компонентов топлива а ~ 1). Ос-

. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» N2 8 (76) 2009

© Научно-технический центр «TATA», 2009

новными критериями при создании новой конструкции камеры сгорания являлись: неизменность выходных характеристик агрегата при его длительной работе, повышенная надежность, простота конструкции, и как следствие - упрощение изготовления, и применение более дешевых материалов относительно аналога, а также обеспечение возможности уменьшения расхода охлаждающей воды и использования нехимобессоленной воды для мини-парогенераторов технологического назначения. В результате предварительного анализа авторами был предложен способ образования пара в мини-парогенераторах с использованием вихревого завесного охлаждения, реализованного за счет подачи воды в камеру сгорания по тангенциальным каналам на охлаждение огневой стенки и для парообразования.

При определении геометрических характеристик вихревой камеры сгорания авторами, работающими в ОАО КБХА, был проведен ее гидравлический расчет, результаты которого легли в основу ее изготовления (рис. 2).

рой до 1000 К и давлением до 30 кгс/см . В камере сгорания такой конструкции за счет испарения охлаждающей воды внутри камеры может возникнуть избыток продуктов реакции в зоне горения водорода в кислороде, что может привести к неполному сгоранию топлива и возникновению существенной неоднородности температуры в радиальном и осевом направлении. Это может оказаться серьезной проблемой для парогенераторов энергетического назначения и менее важно для технологических применений. В последнем случае может использоваться вода менее высокой степени очистки.

Рис. 2. Общий вид вихревой камеры сгорания: 1 - корпус камеры сгорания; 2 - втулка с тангенциальными каналами подачи воды; 3 - штуцер подвода воды; 4 - водяной коллектор камеры сгорания; 5 - вихревой поток воды; 6 - продукты реакции горения водорода в кислороде;

7 - тангенциальные каналы подачи воды Fig. 2. General view of swirl combustion chamber: 1 - combustion chamber casing; 2 - hub with tangential water feed channels; 3 - water feed fitting; 4 - combustion chamber water manifold; 5 - swirl water flow; 6 - products of a hydrogen combustion in oxygen reaction; 7 - tangential water feed channels

Принцип работы вихревой камеры сгорания в составе экспериментального мини-парогенератора (рис. 3) подобен работе центробежной форсунки.

Рабочей жидкостью является вода. Она подается в камеру сгорания через втулку с тангенциальными каналами, где приходит в интенсивное вращательное движение, образуя завесное охлаждение. Далее в цилиндрическом сопле камеры сгорания завесная пленка, контактируя с продуктами сгорания водорода в кислороде, поступает в камеру испарения, где происходит ее мелкодисперсное дробление и испарение с образованием перегретого пара с температу-

Рис. 3. Схема конструкции микропарогенератора

с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком