Підвищення рівня ефективності роботи вогнетехнічних об'єктів на основі струменево-нішевої технології
Вантажиться...
Дата
2025
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Куник А.А. Підвищення рівня ефективності роботи вогнетехнічних об'єктів на основі струменево-нішевої технології – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 «Теплоенергетика». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Підготовка здійснювалася на кафедрі теплової та альтернативної енергетики Навчально-наукового інституту атомної та теплової енергетики Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Перед промисловістю та енергетикою стоїть декілька важливих задач, які потребують якнайшвидшого вирішення. Однією з таких задач є забезпечення надійної та ефективної роботи вогнетехнічних об’єктів на промислових та комунальних підприємствах, особливо в сучасних умовах. Диверсифікація паливного господарства розглядається як один із пріоритетних напрямків для забезпечення надійності та ефективності функціонування систем. Вона сприяє підвищенню економічності та стійкості технологічних процесів, а також забезпечує гарантії стабільного паливопостачання. Зокрема, наявність можливості тимчасового переходу на альтернативні види палива є необхідною умовою для мінімізації ризиків, пов'язаних з перебоями у постачанні основного палива. У першому розділі дисертації описано нинішній стан різних видів вогнетехнічних об’єктів, їх паливну базу в світі та Україні. Проаналізовано тенденції до застосування нових видів палива, а також проблеми, що виникають при використанні сучасних основних видів палив, та підходи до їх вирішень. Проведено аналітичне дослідження технологій спалювання, сформовано список вимог до технологій спалювання для реалізації на ній комбінованих та універсальних пальникових пристроїв. З точки зору конструкції пальникових пристроїв та вогнетехнічних об’єктів та підприємств в цілому, розглянуто вплив застосування різноманітних видів палив на робочий процес пальникових пристроїв. А також, проведено аналіз відмінностей у фізичних та хімічних властивостях цих палив, можливі змінами у конструкції пальникових пристроїв задля підвищення ефективності спалювання та скорочення викидів шкідливих речовин. Взято у врахування інші серйозні проблеми для організації ефективного спалювання. Струменево-нишеві системи займають особливе місце серед спалювальних технологій, здатних працювати з різноманітними видами палива у різних станах. Зазначені технології та створені на їх основі пальникові пристрої вирізняються багатьма вигідними властивостями, наприклад, забезпечують стабільне горіння в широкому діапазоні навантажень та мінімізують гідравлічний опір потоку окиснювача. Для успішного розвитку та поширення таких технологій необхідне детальне вивчення закономірностей горіння, що проявляються при їхній реалізації. Протягом кількох десятиліть на кафедрі теплової та альтернативної енергетики Інституту атомної та теплової енергетики НТУУ «КПІ імені Ігоря Сікорського» ведеться розробка пальникових пристроїв на базі струменевонишевої технології. Ці розробки відзначаються забезпеченням високої економічної ефективності, екологічної безпеки та стабільної роботи. В рамках представленої роботи головним способом диверсифікації паливної бази є вивчення, розробка та інтеграція нового покоління комбінованих пальникових пристроїв. Метою цих пристроїв є підвищення ефективності спалювання як основних видів палива, так і запасних та аварійних варіантів, що типово використовуються на більшості об'єктів теплоенергетики. В першу чергу, розглядається можливість почергового спалювання природного газу та пропан-бутану, без зміни конструкції пальникового пристрою, та тривалої підготовки. Також проведено аналіз застосування домішок високореакційних палив, наприклад водню, для приведення різних видів палива до схожих теплофізичних характеристик коефіцієнта Воббе, температури згорання і т.д. Другий розділ дисертації присвячено опису методологічного підґрунтя та методичних підходів до проведення досліджень, які реалізовувалися як в лабораторних умовах, так і на промислових об'єктах. Детально представлено структуру експериментальних стендів, використані методики випробувань, а також здійснено розрахунок похибок вимірювань. Розроблена комплексна методика дослідження охоплює наступні етапи: 1.) Ряд експериментальних досліджень, та комп’ютерних моделей, що виконувалися задля встановлення закономірностей в робочих процесах одиничних пальникових модулів, які виникають при спалюванні різних видів палива. 2.) Дослідження, для встановлення закономірностей протікання робочих процесів в струменево-нишевих пальникових пристроях, з використанням різних видів палива, та при їх комбінації. 3.) Проведено дослідження, для встановлення з закономірностей протікання робочих процесів в струменево-нишевих пальникових пристроях, при спалюванні сумішей різних видів палив та домішок водню. 4.) Формування на основі CFD моделювання попередніх характеристики пальникових пристроїв, призначених для спалюванні двох та більше видів палива. 5.) Проведення порівняльних аналізів основних характеристик робочих процесів пальникових пристроїв при різних комбінаціях палив, та при спалюванні водневих сумішей з різною концентрацією водню. Третій розділ дисертації присвячено результатам комп’терного моделювання, завдяки якому встановлено діапазони різноманітних конструкційних та режимних параметрів, які необхідно детальніше дослідити в натурних експериментах. Основуючись на результатах комп’ютерного моделювання розроблено лабораторний стенд, а також ряд експериментальних струменево-нишевих модулів з різною комбінацією конструкційних параметрів (діаметру паливоподавальних отворів, відносного кроку між ними, глибини та ширини ніші і т.д.) У четвертому розділі дисертаційної роботи представлено результати оригінальних експериментальних досліджень, що охоплюють широкий діапазон варіацій ключових параметрів. Вперше отримано емпіричні дані щодо процесів течії, сумішоутворення, теплообміну, стабілізації полум'я та вигоряння палива для комбінованих струменево-нишевих пальників. Ці дослідження демонструють можливість ефективного спалювання палив з різними характеристиками без необхідності модифікації конструкції або режиму роботи пальникового пристрою та вогнетехнічного об'єкту. Вперше виконано порівняльний аналіз характеристик для струменевонишевих пальникових при роботі на різних видах палива, підібрані оптимальні конструкційні характеристики для ефективної роботи пальникового пристрою при послідовній роботі на різних видах палива. Знайдено найбільш ефективні режимні і конструкційні параметри струменево-нишевого модуля, для однаково ефективного спалювання як пропанбутану так і природнього газу. Підтверджено можливість створення модульних пальникових пристроїв у широкому діапазоні потужностей з використанням нових струменево-нишевих модулів. В п’ятому розділі дисертаційної роботи досліджено вплив домішок водню на спалювання різних видів палив в новому комбінованому струменевонишевому модулі. Обґрунтовано можливість приведення палив з різною калорійністю завдяки домішкам водню. до більш схожого значення коефіцієнту Воббе. Досліджено вплив домішок водню на процеси горіння та структуру факела, доведено підвищення реакційної здатності палив, скорочення викидів СО, а також довжини факелу завдяки застосуванню домішок водню. За результатами дисертаційних досліджень сформовано ряд висновків: 1. Для диверсифікації паливної бази існуючих ВО ефективним інструментом є встановлення пальникові пристрої на основі струменево-нишевої технології спалювання, яка відповідає всім вимогам економічності, екологічної безпеки та надійної роботи ВО. 2. Струменево-нишева технологія дає змогу зручно підбирати конструктивні параметри та параметри робочого процесу, щоб мати змогу працювати на пересіченні ефективних меж (пересічення концентраційних меж та стехіометричних параметрів) двох і більше видів палива. 3. Сформовано підходи до створення комбінованих пальникових пристроїв, здатних спалювати два та більше види палива без втручання в їх конструкційну частину, з загальними трактами та схожими режимними параметрами. 4. Визначено можливості домішок водню до підвищення реакційної здатності пропан-бутану та природного газу, а також до приведення цих двох палив до більш схожих теплофізичних характеристик.
Опис
Ключові слова
пальник, струменево-нишева технологія, вогнетехнічні об’єкти, водень, енергоресурси, експлуатаційні умови, аеродинаміка спалювання, альтернативна енергетика, пропан-бутан, оксиди азоту, 3-D моделювання, ефективність, втомні пошкодження, теплові та термічні навантаження, burner, jet-niche technology, combustion facilities, hydrogen, energy resources, operating conditions, combustion aerodynamics, alternative energy, propane-butane, nitrogen oxides, 3-D modeling, efficiency, fatigue damage, heat and thermal loads
Бібліографічний опис
Куник, А. А. Підвищення рівня ефективності роботи вогнетехнічних об'єктів на основі струменево-нішевої технології : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Куник Арсен Андрійович. – Київ, 2025. – 161 с.