В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Долгова Максима Викторовича на тему «Разработка вихревого горелочного устройства для сжигания альтернативных видов топлива» по образовательной программе «8D07117 – Теплоэнергетика».
Диссертация выполнена на кафедре «Теплоэнергетики» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - на русском
Официальные рецензенты:
Болегенова Салтанат Алихановна – доктор физико-математических наук, профессор, заведующая кафедрой «Теплофизики и технической физики» в Казахском национальном университете имени аль-Фараби, специальность: «01.04.14 Теплофизика и теоретическая теплотехника» (г. Алматы, Республика Казахстан)
Умышев Диас Райбекович – PhD, ассоциированный профессор, профессор кафедры «Энергетика» Казахского национального исследовательского технического университета имени К.И. Сатпаева, специальность «6D071700 - Теплоэнергетика» (г. Алматы, Республика Казахстан)
Временные члены Диссертационного совета:
Оспанов Байтас Санитасұлы - кандидат технический наук, главный менеджер Департамента «Генерация и Топливо» АО «Самрук-Энерго», специальность: «05.14.04: Промышленная теплоэнергетика» (г. Астана, Республика Казахстан)
Кинжибекова Акмарал Кабиденовна - кандидат технический наук, ассоциированный профессор, профессор кафедры «Теплоэнергетика» Торайгыров университета, специальность: «05.14.04: Промышленная теплоэнергетика» (г. Павлодар, Республика Казахстан)
Хуторненко Сергей Николаевич – кандидат технических наук, доцент кафедры «Котло- и реакторостроения», Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова, специальность: «05.14.14: Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты» (г. Барнаул, Российская Федерация)
Научные консультанты:
Жумагулов Михаил Григорьевич – PhD, ассоциированный профессор, доцент кафедры «Теплоэнергетика» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева, специальность: «6D071700 – Теплоэнергетика» (г. Астана, Республика Казахстан)
Грибков Александр Михайлович – кандидат технических наук, доцент кафедры «Атомные и тепловые электрические станции» Казанского государственного энергетического университета, специальность: «05.14.01: Энергетические системы и комплексы» (г. Казань, Российская Федерация).
Защита состоится: 17 мая 2025 года 14:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D071 – Инженерия и инженерное дело» по образовательной программе «8D07117 – Теплоэнергетика» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в смешанном (оффлайн и онлайн) формате.
Адрес: г. Астана, ул. Кажымукана, 13, ауд. №133.
Аннотация (рус.): Актуальность. Современная действительность в инженерной сфере переживает существенные изменения. Перед человечеством возникают новые вызовы, направленные на сокращение расхода органического топлива, вызванные истощением природных недр. Остро стоит вопрос экологически безопасного сжигания тяжелых углеводородов и некондиционного топлива для дешевого производства энергии. Промышленность привлекает внимание из-за опасений во всем мире относительно парникового газа, двуокиси углерода (CO2), оксида азота (NOx), оксида серы (SOx) и выбросов сажи. Например, Межправительственная группа экспертов по изменению климата предоставила данные о том, что выбросы CO2 увеличивались на 3 % в год в период с 1990 по 2010 год и продолжат расти. Так в век глобального потепления, вызванного выбросами парниковых газов, одной из основных целей развития систем производства энергии было получение процесса горения, позволяющего уменьшить выбросы загрязняющих веществ, повысить эффективность процесса и, следовательно, снизить расход топлива и тем самым, понизить вредные выбросы. Однако в процессах, связанных со сжиганием, сокращение выбросов загрязняющих веществ часто происходит за счет снижения эффективности. Другими словами, существующая система сжигания остается сложной для одновременного удовлетворения требований как высокой эффективности, так и низкого уровня вредных эмиссий. Сразу следует ответственно отметить, что хотя сегодня активно лоббируются вопросы перехода на «зеленые» источники энергии, человечество технически не готово к данному шагу, так как ветротурбина вырабатывает очень мало энергии (не более 4 МВт единичной мощности), солнечная батарея и того меньше, к тому же она не работает ночью, а термоядерная реакция не контролируемая. Таким образом процессы горения органического топлива ещё долгие годы будут оставаться актуальными для всего мира. Соответственно следует искать иные пути экономии топлива. Одним из таких решений является – создание универсального горелочного устройства, способного за счет повышенной эффективности работы сжигать альтернативные виды топлива, полученные преимущественно из отходов различных технологических процессов. К таким топливам можно отнести отработанные машинные масла, нефтешламы, обводненный мазут и т.д. Применение альтернативных источников химической энергии позволяет сократить расход основного дорогостоящего топлива, такого как дизельное топливо, мазут и природный газ. Общая характеристика. В первом разделе проведённый обзор способов и установок для сжигания выбранных альтернативных видов топлива демонстрирует различные сложности при сжигании отдельных видов топлива из-за разной степени вязкости, химического состава, а также возможности поддержания стабильности пламени. Горелочные устройства различных моделей приспособлены в основном под узкую специализацию по видам сжигаемого топлива, а также имеют ограничения по мощности в силу приспособления каждой модели под определенный вид решаемых задач, то есть использования производимой энергии. В отдельных случаях масштабирование горелочных устройств ограничено по максимальной или минимальной производительности. Во втором разделе на основании полученных результатов моделирования горелочного устройства можно сделать вывод, что активный вихрь внутри предлагаемого горелочного устройства успешно формируется в виде мини-торнадо (вихря с переменным поперечным сечением), обеспечивающий интенсивное перемешивания топлива и окислителя и его частичное горение внутри основной камеры горелочного устройства и достаточно полное догорание за его пределами в условиях пониженного расхода энергии на нагнетательных устройствах. В третьем разделе представлены результаты проведённых экспериментов по сжиганию традиционных и альтернативных видов топлива. На основе полученных данных можно сделать вывод о том, что предлагаемое горелочное устройство способно эффективно сжигать, на ряду с типовыми жидкими и газообразными топливами, такими как пропан и дизельное топливо, альтернативные и трудносжигаемые горючие отходы, такие как водомазутная эмульсия, отработанное масло и нефтешлам. При тестировании горелочного устройства с вертикальной и горизонтальной осью по показателям устойчивости горения выигрывает вертикальная конструкция, которая позволяет избежать образование нагара на внутренних частях камеры сгорания, что приводит к снижению уровня завихрения, к снижению стабильности горения в режиме бесперебойной работы. В четвёртом разделе проведён сравнительный анализ результатов моделирования с экспериментальными данными по таким физическим параметрам, как температура и скорость дает допустимый уровень сходимости. Принципиальное отличие заявленного в исследовании устройства от ближайшего аналога заключается в наличии выступающей внутрь камеры части выходного патрубка, что создает эффект «мини-торнадо» и, как следствие, более плавное сглаживание сужающейся части потока и снижение температурной нагрузки на корпус за счет трения потока. В заключении сформулированы выводы о результатах проведенного исследования, реализации конструкции и комплексном исследовании нового горелочного устройства, разработке математической модели, которая позволяет успешно прогнозировать поведение продуктов сгорания. Полученные результаты расчётно-экспериментальных исследований сжигания альтернативных жидких топлив в вихревом горелочном устройстве подтверждены актом внедрения. Цель исследования заключается в создании универсального горелочного устройства, способного за счет повышенной эффективности работы сжигать альтернативные виды топлива. Цель была достигнута путем организации вихря повышенной интенсивности внутри предварительной камеры сгорания горелочного устройства (далее предтопок), а также части технических решений. Предстояло также оценить эффективность смешивания и горения в новом устройстве и выявить наличие/отсутствие гидродинамических нестабильностей, связанных с этой своеобразной конструкцией. Предложенные новые конфигурации, основанные на концепции циклонического потока, позволяют проанализировать некоторые ключевые аспекты процесса смешения в вихревой камере горелки. В частности, полнота сгорания топлива и объемы вредных выбросов. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: - провести обзор научной литературы и патентный поиск по способам эффективного сжигания различных альтернативных топлив, а также вихревых горелочных устройств; - определить основные альтернативные топлива для исследования; - разработать конструкцию эффективного вихревого горелочного устройства; - смоделировать процесс горения в исследуемом горелочном устройстве; - провести ряд экспериментов по исследованию эффективности и экологичности сжигания альтернативных топлив в вихревом горелочном устройстве; - запатентовать новое горелочное устройство; - сформулировать рекомендации для промышленного внедрения и применения запатентованного горелочного устройства. Рабочая гипотеза. Альтернативные трудносжигаемые виды топлива способны гореть с высокой тепловой и экологической эффективностью в тороидальном интенсивном вихре. Вихрь, создаваемый предлагаемым универсальным (в отношении жидких и газообразных топлив) горелочным устройством, улучшает топливо-воздушное смесеобразование. Объект исследования диссертационной работы. Вихревое горелочное устройство. Научная новизна. На экспериментальных стендах было оценено влияние конструкции горелки, вида топлива, тепловой мощности, коэффициента избытка воздуха, а также формы и размеров тоннеля на эффективность горения. Моделирование в среде Ansys Fluent течений жидкостей и газов позволило оценить влияние турбулентности, межфазного взаимодействия, химических реакций горения на эффективность работы устройства. Анализ новых экспериментальных данных на огневых стендах позволил оценить влияние основных режимных параметров (температура горения, коэффициент избытка воздуха, теплота сгорания топлива и т.д.) на образование оксидов азота. Теоретическая и практическая значимость. С использованием научных результатов планируется формулирование универсального алгоритма выбора и конструирования вихревого горелочного устройства, включающего следующие этапы: - определение (формирование) требований к характеристикам факела и параметрам работы горелок, обуславливаемых тепловым, температурным и гидравлическим режимам, а также содержанием вредных выбросов; - выбор конструкции или определение типа горелки с использованием характеристик «эталонных» горелочных устройств; - конструирование горелочного устройства на основе выбранного «эталонного» аналога; - выбор методики и стенда для испытаний горелки; - теоретическое и экспериментальное исследование потока продуктов горения; - построение математической модели вихревого движение продуктов горения в камере сгорания горелки; - разработка условий эффективного сжигания альтернативных жидких топлив на примере нефтяного шлама и отработанного масла. Положения, выносимые на защиту: - оптимальные условия образования топливно-воздушной смеси в вихревом горелочном устройстве; - результаты математического моделирования скорости, температуры и давления в камере сгорания вихревого горелочного устройства; - результаты математического моделирования условий горения и выхода вредных выбросов; - экспериментальные данные по исследованию эффективности и экологичности сжигания традиционных и альтернативных топлив в вихревом горелочном устройстве; - рациональная конструкция вихревого горелочного устройства. Методы исследования. Для реализации поставленных задач использовались экспериментальные методы исследования горения типовых и альтернативных видов топлива с проведением аналитического анализа результатов экспериментов. Математическое моделирование процесса горения без предварительного смешивания проводилось с использованием программного комплекса Ansys Fluent. Апробация: - международная научная конференция: «Дистанционное образование: Новые вызовы глобального масштаба». Нур-Султан. ЕНУ имени Л.Н.Гумилёва. 2020 г. - IX международная научно-практическая конференция: «Актуальные проблемы транспорта и энергетики: пути их инновационного решения». Нур-Султан 2021. Публикации. По теме диссертации опубликованы: одна статья в журнале, входящем в базу Scopus (процентиль 38); три статьи в журналах, рекомендуемых ККСНВО МНиВО РК; одна статья базы РИНЦ РФ; 1 патент на изобретение Республики Казахстан, 1 патент на изобретение Российской Федерации, входящий базу Derwent Innovations Index при Web of Science; 2 доклада в сборниках международных отечественных и зарубежных конференций. Личный вклад автора. Обзор отечественной и зарубежной литературы, патентный поиск по теме диссертационного исследования, реализация математического моделирования посредством программного комплекса Ansys Fluent, подготовка материальной базы и проведение экспериментальных исследований, обработка результатов экспериментов, подготовка публикаций в научные журналы в качестве автора-кореспондента, подготовка и оформление патентов, апробация результатов работы. Вектор исследования и идея определены совместно с научным и зарубежным консультантами. Достоверность. Достоверность результатов обеспечивается точностью использованных в процессе проведения экспериментов приборов, а также согласованием результатов экспериментальных исследований с результатами математического моделирования и данными авторов в аналогичных исследованиях. Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объём работы 142 страницы. Описание основных результатов исследования. 1. Проведён подробный литературный обзор и патентный поиск источников. Проанализирован основной потенциал в поиске альтернативных видов жидкого топлива. Были определены основные топлива для последующего исследования: 1. Отработанное масло; 2. Нефтяной шлам; 3. Водомазутная эмульсия. Подробно был изучен вопрос влияния вихревой аэродинамики топливовоздушной смеси на процесс смешения и последующего горения. 2. Разработано, реализовано в конструкции и комплексно исследовано новое горелочное устройство, которое за счет образования интенсивного вихря способно эффективно сжигать различные типы топлив, включая альтернативные трудносжигаемые. Изобретение подтверждено Патентом на изобретение Республики Казахстан № 35578, а также патентом на изобретение Российской Федерации № 2769048, который вошел в базу Derwent Innovations Index при наукометрической базе Web of Science. Запатентованное устройство благодаря своей уникальной геометрической конструкции позволяет: - образовывать в камере сгорания интенсивный вихрь, за счёт которого эффективность смесеобразования возрастает и обеспечивается более полное сжигание топливовоздушной смеси с минимизацией вредных выбросов; - достигать стабильного горения трудносжигаемых топлив в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха без срыва пламени за счет активного вихреобразования в виде мини-торнадо; - снизить аэродинамическое сопротивление потока за счет «мягкого» трения газовой среды о саму себя. 3. В программной среде Ansys Fluent была разработана математическая модель, которая позволяет успешно прогнозировать поведение продуктов сгорания. При моделировании в среде Ansys Fluent были получены данные по трем показателям: температура, давление и скорость, а также три ключевые сечения, позволяющие координировать аэродинамику внутри горелочного устройства и на выходе из него. Результаты позволили оценить аэродинамику топливовоздушного потока, а также горения. 4. В ходе проведённых экспериментальных исследований на действующем стенде в период зарубежной научной стажировки в Казанском государственном энергетическом университете было проведено сравнение предлагаемой вихревой конструкции с прямоточной горелкой на поперечных струях. Устойчивая работа предлагаемого вихревого устройства протекает в интервале большего избытка воздуха, чем необходимо для устройства-аналога. 5. Экспериментальные исследования подтвердили, что предлагаемое горелочное устройство способно эффективно сжигать, на ряду с типовыми жидкими и газообразными топливами, такими как пропан и дизельное топливо, альтернативные и трудносжигаемые горючие отходы, такие как: - водомазутная эмульсия; - отработанное масло; - нефтешлам. 6. Экспериментальными и теоретическими исследованиями продемонстрирована возможность применения предлагаемого вихревого горелочного устройства, удовлетворяющего допустимым нормам по вредным выбросам продуктов сгорания, таких как NOx и СО в широком диапазоне коэффициента избытка воздуха. 7. Полученные результаты расчётно-экспериментальных исследований сжигания альтернативных жидких топлив в вихревом горелочном устройстве подтверждены актом внедрения на ТОО «Тандем Петролеум» (г. Кызылорда).
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://youtu.be/ay3klfCYiWM
