3. Гидродинамика и теплообмен в вихревых камерах сгорания энергоустановок

При впрыске жидкости из пояса завесы на поверхность стенки камеры сгорания образуется движущаяся по ней пленка жидкости. В начале участка на некотором расстоянии со стенкой соприкасается жидкость, которая, двигаясь по стенке в результате теплообменных процессов, постепенно прогревается и испаряется.

Ускорению процесса испарения – газификации пленки – способствует также ее частичное разбрызгивание на капли, которое возникает из-за определенной гидродинамической неустойчивости течения пленки с обтекающим ее газовым потоком. После участка испарения со стенкой соприкасаются газообразные продукты газификации завесы, т.е. пары, затем, по мере удаления от участка испарения, состав газообразных продуктов возле стенки будет постепенно все больше и больше изменяться под воздействием процессов перемешивания с ближайшими слоями продуктов сгорания и горения.

Из двух составляющих теплового потока приближенно можно считать, что завеса на лучистый порог не оказывает существенного влияния. На участке испарения ввиду малой толщины жидкой пленки можно считать, что завеса практически прозрачна, и лучистый поток, падающий на стенку, не ослабевает.

На следующем участке лучистый поток несколько слабеет, так как продуктами газификации завесы являются многоатомные газы, недостаточно прозрачные для тепловых лучей. Однако учитывая, что толщина слоя этих продуктов невелика по сравнению с диаметром камеры сгорания, для простоты также можно считать, что лучистый поток она не уменьшает. Разница пойдет в запас надежности расчета.

Наибольшее воздействие завеса охлаждения оказывает на конвективный тепловой поток в стенку, который на участке испарения жидкой пленки можно считать практический отсутствующим, так как со стенкой соприкасается жидкость с температурой не выше температуры ее кипения и разложения.

На последующем участке конвективный тепловой поток будет определяться в основном температурой и составом газообразных продуктов возле стенки.

Если не учитывать особенности, характер и полноту выгорания продуктов завесы, то можно считать, что состав и температура газа возле стенки определяются только соответствующими соотношениями компонентов.

Учитывая, что впрыск завесы в камеру сгорания происходит параллельно потоку движения продуктов сгорания, длина участка испарения завесы определяется исходя из простого баланса теплоты: теплота, передаваемая конвективной теплопередачей, полностью идет на прогрев жидкой пленки от температуры Тн до температуры испарения или разложения Т_s и далее на теплоту испарения или разложения:

, (3.1)

где η – коэффициент, учитывающий частичное разбрызгивание пленки на капли,

– секундный расход жидкости на завесу,

– теплоемкость жидкости при средней температуре Т_ср=0,5(Т_н+Т_s), Т_н и Т_s – начальная температура жидкости и температура ее кипения или разложения при данном давлении в камере, α_к – конвективный коэффициент теплообмена.

Исходя из конвективного потока, вычисленного без учета завесы qк0, коэффициент теплоотдачи

(3.2)

где Т_r0, Т_ст.г – температура газа в пристеночном слое и температура стенки при отсутствии завесы.

Коэффициент η<1 зависит от гидродинамики течения пленки и ее взаимодействия с обтекаемым потоком. Приближенно коэффициент η зависит от числа Рейнольдса жидкой пленки:

(3.3)

где ρ_ж, μ_ж – плотность и вязкость жидкости в пленке,

w_ж, δ_ж – средняя скорость движения жидкости в пленке и ее толщина.

Учитывая соотношение , имеем

(3.4)

Зависимость η=η(Re_з) приведена на рис. 22.

Рис. 22. Зависимость коэффициента устойчивости жидкой пленки от числа Рейнольдса

Совершенствование процессов сгорания топлива в камерах сгорания ГТУ привело к созданию большого количества различных горелочных устройств, использующих закрутку потока. Исследования течений с горением показывают, что закрутка течения существенным образом сказывается на характеристиках поля течения: улучшении смесеподготовки, повышении интенсивности горения в реагирующих потоках, способности струи к организации аэродинамической стабилизации [40].

На практике характерные особенности течения в вихревой камере позволяют организовать эффективное конвективно-пленочное охлаждение корпусных элементов конструкции горелочных устройств [41].

Для вихревых труб конструктивное исполнение закручивающего устройства, выполняющего роль соплового ввода, играет достаточно важную роль. В результате экспериментальных исследований создано несколько наиболее удачных с позиций термодинамической эффективности конструктивных вариантов сопловых вводов, показанных в табл. 1.3.

Таблица 3

Варианты сопловых вводов

Из [42] известен метод повышения эффективности вихревой трубы путем охлаждения периферии вихря. При этом высокая температура периферийных слоев внешнего вихря позволяет легко отбирать от них тепло в окружающую среду, чему в значительной степени способствует высокие скорости турбулентного вихря, обеспечивающие большие значения коэффициента теплообмена.

Один из видов охлаждаемых вихревых труб, в котором охлаждающая жидкость вводится с определенной скоростью закрутки и под действием центробежных сил создает на внутренней поверхности трубы быстровращающийся цилиндрический слой, представлен на рис. 23.

Результаты экспериментальных исследований [43, 44] этих видов вихревых труб показывают наличие очень высокого коэффициента теплообмена между вихрем и твердой стенкой и еще более высокое его значение на границе взаимодействия жидкостного вихря и газа. При этом подсчитанный из эксперимента средний коэффициент теплообмена составляет 1000 ккал/час∙м2∙град.

Рис. 23. Вихревая труба с водяным охлаждающем вихрем

На рис. 24 показана схема противоточного горелочного модуля.

Непрерывная закрутка потока в каналах систем охлаждения ГТД и ГТУ, в теплообменниках типа «труба в трубе» применяется в целях интенсификации конвективного теплообмена. Этот метод используется также при отводе теплоты от ТВЭЛов ядерных реакторов, где реализована непрерывная закрутка потока теплоносителя в кольцевом канале. Анализ экспериментальных данных различных авторов показал, что в этих условиях при турбулентном режиме течения теплоносителя процессы теплоотдачи на выпуклой поверхности имеют сравнительно малую интенсивность. Она соизмерима с теплоотдачей в канале без закрутки потока или ниже ее.

Рис. 24. Схема противоточного горелочного модуля

Существующие экспериментальные данные показывают, что закрутка потока воздуха до камеры сгорания позволяет эффективно перемешать его с топливом, кроме того, интенсивная закрутка обеспечивает надежную стабилизацию пламени и полное выгорание топливо в камере сгорания за счет интенсификации процессов смешения в начальной зоне, поэтому использование характерных особенностей закрученного течения, могут создать необходимые условия для подачи жидкого и газообразного топлива и одновременной организации качественного смешения топливных компонентов в закрученном потоке.

Используя вихревой эжектор, можно организовать процесс смешения в различных горелочных устройствах и в камерах сгорания. Конструкция опытной модели, предназначенной для этих целей, показана на рис. 25.

Рис. 25. Вихревой эжектор: 1 – закручивающее устройство; 2 – сопло пассивного потока; 3 – штуцер подачи сжатого воздуха; 4 – вихревая камера; 5 – камера смешения; 7 – конический диффузор

При подаче сжатого газа через закручивающее устройство образуется вихревой поток с пониженным давлением в приосевой области сечения, где размещено закручивающее устройство, а при определенных размерах центрального отверстия диафрагмы (сопло пассивного потока) из окружающей среды или вакуумируемого объема засасывается газ или жидкость.

В камере смешивания потоки перемешиваются и через дроссельное сечение или улиточный диффузор образовавшаяся смесь отводится. Для оптимизации процесса и уточнения геометрии устройства выполнено численное и экспериментальное исследование процесса смешения.

Трехмерный расчет однофазного потока в эжекторе-смесителе выполнен на базе программного комплекса газовой динамики ANSYS CFX. Модель эжектора построена в среде CAD/CAM системы UG. Сетка построена методом конечно-разностных объемов. Для расчета течения газа использовались уравнения Навье-Стокса, осредненные по Рейнольдсу, включающие в себя законы сохранения импульса и энергии, которые замыкаются уравнением состояния идеального газа. Турбулентность описывалась SST моделью.