150821 (Реализация хладоресурса углеводородных топлив в силовых и энергетических установках), страница 4

, (11)

, (12)

, (13)

(14)

, (15)

(16)

(17)

(18)

(19)

с граничными условиями:

x=0: w_x= , w_r=0 h=h^о(r);

r=0: ; (20)

r=r_w: w_x=w_r=0 ; -

В этих уравнениях: w_x и w_r –составляющие скорости вдоль оси трубы x и радиуса r; h –энтальпия; P –давление; –плотность; и q –суммарное (молекулярное и турбулентное) касательное напряжение и поперечный тепловой поток, которые выражаются через кинематический коэффициент турбулентной вязкости и коэффициент турбулентной температуропроводности _q; –динамический коэффициент вязкости; ‑коэффициент теплопроводности; C_p –теплоемкость.

Тогда выражения (14) и (16) с учетом (17) и (18) перепишутся в виде

; q= (21)

где Pr=/a ‑молекулярное число Прандтля;

Pr_т=/_q –турбулентное число Прандтля, которое принимается равным единице.

Коэффициент турбулентной вязкости при переменных физических свойствах рассчитывается по формуле В.Н. Попова (Попов В.Н. и др. Теплообмен и турбулентное течение воды сверхкритических параметров состояния в вертикальной трубе при существенном влиянии свободной конвекции. //Теплоэнергетика. 1986. №4. С.22-29):

, (22)

Коэффициент турбулентной вязкости при постоянных физических свойствах определяется по формуле Рейхардта, уточненнной для относительно малых чисел Рейнольдса (3^.10³ Re 2^.10⁴):

(23)

Здесь R=r/r_w=1-/_о , _о= .

Система уравнений баланса масс имеет вид:

, i=1,2,3 (24)

где j_i -соответственно, источниковый член. Для кислорода (i=1), промежуточного продукта (i=2) и ВМС (i=3); с_i‑весовая концентрация; D_i и D_Ti соответственно коэффициенты молекулярной и турбулентной диффузии, рассчитываемые согласно теории кинетики химических реакций.

Граничные условия :

r=0; =0.

х=0; C₁=C_o; C_2,3=0 (25)

r=r_w ; ; .

Запишем выражения для источниковых членов:

j₁=K₁c₁c_RH²/М_RH ;

j₂=K₁c₁c_RH/ -K₂c₂c_RH/М_RH ; (26)

j₃=K₃c₃c_RH²/М_RH

М_i -молекулярная масса, кг/кмоль; K_i=A_i^.exp(-E_i/RT) -константы скоростей реакций окисления углеводорода.

Система уравнений (11-26) решается конечно‑разностным методом.

В качестве последнего граничного условия (25) принято равенство диффузионного потока потоку массы вследствие реакции на стенке: J_3w=K_wc_3w, где К_w -константа скорости реакции на стенке. Величина K_w выбрана из условия совпадения с экспериментом по скорости образования коксоотложений в кинетическом режиме.

Для учета влияния дезактивации металлической поверхности вследствие коксоотложений принималось, что скорость дезактивации имеет первый порядок по константе скорости основной поверхностной реакции:

, (27)

где _н -время наработки, K_g -константа скорости дезактивации, определяемой по изменению доли площади поверхности, покрываемой отложениями.

Данная модель позволила детально изучить свойства процесса коксоотложения на основе результатов численного моделирования. Это особенно важно при изучении такого сложного процесса, как термоокисление топлив, т.к. многие стадии этого процесса практически не поддаются экспериментальным исследованиям.

Рис.14. Распределение концентраций продуктов окисления

реактивного топлива РТ по длине канала х

(трубка 4х1500; 1 -О₂; 2 –промеж. прод.; 3 -ВМС).

Результаты моделирования условий образования кокса при течении нагреваемых топлив в каналах продемонстрированы на рис. 14, где приведена зависимость среднемассовых концентраций кислорода, промежуточного продукта, ВМС по длине канала х при тепловой нагрузке q_w=3,8^.10⁵ Вт/м²; расходе G=0,585^.10^-2 кг/с; и температуре на входе Т_вх=373 К для топлива РТ. Концентрация примесей принималась равной нулю.

В главе 5 представлены данные по теплообмену и образованию отожений при течении углеводородных топлив в условиях реализации химического хладоресурса.

Химический хладоресурс так же, как и физический, может использоваться при подводе тепла к топливу непосредственно от теплонапряженных элементов при их охлаждении или же как промежуточный теплоноситель (например, в топливо-воздушном или топливо-газовом теплообменнике). При этом продукты химических превращений топлив могут быть перед подачей в камеру сгорания использованы в качестве рабочего тела для привода агрегатов системы топливопитания двигателя. Появляется возможность разработки комбинированных ВРД новых схем, работающих по более современным, чем цикл Брайтона, термодинамическим циклам за счет использования возможностей топлива как хладагента, рабочего тела с высокой газовой постоянной и высококалорийного горючего.

Исследования закономерностей термической деструкции топлив проводились при атмосферном и повышенном давлениях и температурах до 900 ^oС на экспериментальной установке (Рис.4). В результате проведенных опытов установлено, что при температурах ниже 575-600 ^оС газообразование практически не наблюдается. Повышение температуры выше 575-600 ^оС приводит к появлению газообразных продуктов, что свидетельствует о термическом разложении топлив. Увеличение времени пребывания (контакта) также способствует росту газообразования. Изучение же закономерностей образования отложений при термической деструкции показало, что в условиях турбулентного течения металлическая поверхность покрывается тонким сплошным слоем кокса.

Как следует из вышеизложенного, для установок многоразового использования образовавшиеся отложения ставят проблему по их очистке.

В главе 6 приведены физико-механические, физико-химические, химико-термические способы удаления отложений.

Физико-механические методы очистки загрязненных коксоотложениями трубопроводов основаны, как правило, на разрушении отложений путем промывки моющими средствами с ультразвуковым или термоакустическим воздействием. Они используются в основном для очистки неответственных деталей или деталей, механическая обработка которых не представляет опасности с точки зрения нарушения их прочности или состояния рабочей поверхности. Этот метод обладает невысокой эффективностью при очистке трубопроводов сложной конфигурации (колен с большими углами загиба, змеевиков и трубопроводов, имеющих глухие полости, впадины и экранированные зоны, исключающие непосредственное попадание в них ультразвуковых волн и т.д.). С помощью этого метода (Табл.2) недостаточно эффективно удаляются твердые отложения, т.к. для этого, как показывают опыты, увеличение трения вследствие торможения потока жидкости недостаточно. Поэтому очистка трубопроводов требует значительного времени и, как правило, разборки установок. Несмотря на то, что этот метод позволяет производить очистку трубопроводов большой длины, тем не менее эта длина ограничена вследствие снижения интенсивности колебаний вдоль трубы. Имеет место продольная неравномерность очистки трубопровода, т.к. начальный участок очищается лучше, чем остальные.

Таблица 2.

Эффективность очистки физико-механическими методами

Физико-химические методы (Табл.3) являются более эффективными по сравнению с физико-механическими и основаны на удалении коксоотложений посредством щелочных соединений, поверхностно-активных веществ, синтетических моющих средств и растворяюще-эмульгирующих средств.

Таблица 3.

Эффективность очистки физико-химическими методами

* Время очистки - 1 час.

Полученные результаты показали, что посредством СМС и РЭС удаляются в основном смолообразные вещества, образованные при температурах поверхности ниже 400 ^оС. Однако СМС и РЭС малоэффективны при очистке от асфальтено-смолистых и коксообразных веществ, образованных при температурах стенки выше 400 ^оС. При этом более эффективным средством оказались РЭС.

Недостатком данного метода является: 1. Низкая эффективность удаления твердого кокса. 2. Более интенсивное повторное коксование. 3.Большая длительность процесса очистки.

Химико-термические методы (Табл.4) являются наиболее эффективными по сравнению с выше рассмотренными. Как видно из этой таблицы, химико-термические методы позволяют достичь наиболее высокой степени очистки от кокса (80-100%). Метод выжигания отложений оказался наиболее эффективным. Экспериментальное исследование закономерностей выгорания коксоотложений в потоке О₂ проводилось на установке микроэлементного анализа (Рис.8). Через трубку с коксом, нагреваемую снаружи газовой горелкой до температур 800-980 ^оС, продувался поток О₂ или смесь О₂+N₂ при температуре Т20 ^оС.

Недостатком этого метода является высокая энергоемкость процесса, и кроме того, сам процесс удаления кокса путем выжигания осуществляется при высоких температурах (800-950 ^оС), при которых возможны деформация и разрушение очищаемых элементов.

Таблица 4.

Эффективность очистки химико-термическими методами

Автором разработана технология (Рис.15) и опробован на реальных объектах метод удаления коксоотложений посредством озонолиза.