Процессы в камерах сгорания ГТД Лефевр А. (1014188), страница 104
Текст из файла (страница 104)
В работе ~91] акцент при попытке смоделировать выбросы НОа сделан на физические процессы, которые предполагаются важными, а химической кинетике отведена относительно скромная роль. Соответствующая расчетная схема включает модели пяти характерных областей течения внутри камеры сгорания, модели распределения жидкого и газообразного топлива, модель суммарной реакции полного окисления углеводородов, модель образования окиси азота, основанную на механизме Зельдовича, модель лимитируемого диффузией полного смешения и модель, позволяющую учесть влияние влажности 520 Глава 11 окружающего воздуха.
Эта схема была успешно использована для расчета влияния впрыска воды и изменения в широких пределах вида топлива на выброс МО [91 — 94). Имеются и другие эффективные полуэмпирические модели для расчета выбросов [82, 95, 96 — 101). Полезный критический обзор как математических, так и полуэмпирических моделей дан в работах [102 — 104). Эмпирические модели также играют важную роль в разработке и конструировании камер сгорания с низким уровнем вредных выбросов.
Их можно использовать для упрощения связанных с выбросами проблем до уровня, более доступного и удобного для инженеров, занимающихся практическими приложениями горения, кому часто достаточно интуитивного понимания и простых оценок уровней выбросов, достижимых при тех или иных изменениях конструкции.
Для конкретной камеры сгорания эмпирические модели, как правило, более точно описывают данные по выбросам, чем универсальные аналитические модели, рассмотренные выше. Больше всего разработано эмпирических моделей для выбросов СО и НО„. Причина этого состоит в том, что крайне сложная и еще невыясненная природа процессов окисления углеводородов делает невозможным создание удовлетворительной модели для 1)НС и дыма. Кроме того, известно, что снижение выбросов СО и МО, гарантирует одновременное снижение уровня выбросов 1)НС и дыма соответственно. Можно предположить, что концентрации окиси углерода и окислов азота в выхлопных газах пропорциональны произведению четырех величин, характеризующих следующие факторы: 1) уменьшение концентрации рассматриваемого вещества за зоной горения вследствие ввода воздуха в зону разбавления; 2) среднее время пребывания в зоне горения; 3) скорость химических реакций; 4) скорость смешения.
Первую из величин определить легко, так как концентрация в выхлопных газах любого вещества, образовавшегося в зоне горения, пропорциональна участвующей в горении доле [ суммарного расхода воздуха. Вторая величина определяется как Ь Ьрл РУ РУ т= — = т. е. тсл и бя...„пь„„гт 1л~возлт где т — среднее время пребывания. Величина, характеризующая скорость реакции, определяется в предположении, что скорость реакции зависит только от давления и температуры, т.
е. г гю Р ехр(зТ) для ИО и г сл Р" ехр (сТ) для СО, Выбросы загрвзнвгощнх атмосферу веществ 521 где г — скорость реакции. Предполагается, наконец, что скорость смешения есть функция перепада давления на стенке жаровой трубы.
Таким образом, для скорости смешения имеем г со( — ) Перемножая приведенные выше величины, получаем для ХО: Ь)О = А! 1, т ( — ) Р" ехр(аТ) = А)гз (оР)Р)з Р" сдр (гТп. з.) (11.3) гпзпздТп. з где у =! + т, А — константа. Аналогично для СО: т — 1 =С) Рс тззздТп з 1 р ) Р ехР( — сТ„,), (11.4) где Тп,— температура первичной зоны, К. Показатель степени при давлении в уравнении (11.5), равный 1,2, может показаться где Ь = и — 1, С вЂ” константа.
Следует признать, что уравнения (11.3) и (11.4) не имеют строгого теоретического обоснования. Однако они включают важнейшие переменные: размер камеры сгорания, потери давления, распределение воздуха (между зоной горения и зоной разбавления), давление, температуру и расход воздуха. Влияние изменений величины зсв в камере также учтено через его воздействие на температуру первичной зоны. Более строгий анализ должен включать также влияние распыливания топлива и испарения капель. Из анализа экспериментальных данных для нескольких различных камер сгорания (104) было определено х = — 0,5, у = 1,2, г = 0,009 (0,005 для температуры в градусах Ренкина) и а = 0,5.
Универсальные значения для Ь и с установить не удалось, так как оказалось, что они слегка изменяются в зависимости от комбинации форсунки и жаровой трубы. Таким образом, имеем А7 Рьт сдр (0,009тп, )Рьт -4 (11.5) И,„щТ„,(а )Р)пз С(з Т (~ Р)Р)о,зрь (11.6) Гаааа 11 противоречащим прежним выводам о независимости концентрации ИО„от давления.
Однако знаменатель содержит (в неявном виде) величину Р в первой степени, входящую в расход воздуха т„,„.Несколько ббльшая величина показателя (1,2 вместо 1,0) отражает влияние не собственно давления, а подавления диссоциации при повышении давления, что приводит к возрастанию температуры реакции. Приведенный выше анализ помогает выявить ключевые параметры, определяющие образование ХО» и СО, и обеспечивает полезную информацию об их относительной важности. Полученные выражения могут быть использованы как при начальном проектировании камеры сгорания, так и при ее доводке. ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ДЫМЛЕНИЯ Известно, что основными загрязняющими веществами в продуктах сгорания газотурбинных двигателей являются СО, 1)НС, ХО» и дым.
Аппаратура для измерения концентрации СО разработана уже довольно давно и хорошо себя зарекомендовала. Для измерения концентрации 13НС обычно используется пламенно-ионизационный детектор, а в отношении ХО, удовлетворительные результаты дают методы, основанные на хемилюминесценции. Однако для измерения дымления не существует стандартного метода, и на практике используются различные способы. В работе 1106] описаны два основных подхода к измерению степени задымленности выхлопных газов.
1. Оптические методы, базирующиеся на измерении либо отражательной способности дымного шлейфа выхлопных газов, либо коэффициента пропускания света через шлейф. 2. Фильтрационные методы, предусматривающие пропускание пробы выхлопных газов через фильтр и накопление частиц дыма на нем с последующим определением фотометрическими способами степени потемнения фильтра. Для того чтобы выразить концентрацию дыма в абсолютных единицах (масса на единицу объема), в методах обоих типов необходима калибровка. Наиболее распространенный способ— это накопить на фильтре достаточно большое количество (более 1О мг) частиц дыма, которое затем взвешивается.
В целом методы, основанные на пропускании или отражении света, хорошо подходят для измерений в неразбавленных выхлопных газах нз камеры сгорания или двигателя, тогда как фильтрационные методы с таким же успехом могут быть использованы при измерениях уровней дымности в камерах сгорания и (особенно низких уровней) в свободной атмосфере. Недостаток фильтрационного метода заключается в том, что он дает среднюю величину за период измерения. Выбросы загрвзввющиз атмосферу веществ 523 Оптические методы Метод Рингельмана основан на визуальном сравнении степени черноты дымного шлейфа со стандартной сенситометрической шкалой на специальной карте, которую помещают между наблюдателем и источником дыма. Метод хорошо подходит для определения степени черноты дымных шлейфов из труб и других дискретных источников.
Шкала Рингельмана содержит пять градаций потемнения, обозначаемых цифрами от 0 до б. Нуль соответствует просто белому цвету, а б — полностью черному. Метод Рингельмана, хотя и является целиком эмпирическим, оперативен, дешев и удобен для полевых измерений. Так называемое число Рингельмана дает полуколичественную информацию о визуально определяемой степени черноты дымного шлейфа, но ничего не говорит о массовой концентрации частиц сажи. В Великобритании «сильный дым» определяется (в законе «О чистом воздухе» и других законополагающих документах) как соответствующий числу Рингельмана )2, а «черный дым»вЂ” как дым, соответствующий числу Рингельмана )4.
Законодательные ограничения на уровень дымления для промышленных труб в Великобритании и ряде других государств основаны на шкале Рингельмана. Один из недостатков метода Рингельмана состоит в том, что он не учитывает диаметр шлейфа. Выбросы из источника малого размера часто могут содержать более высокие концентрации частиц дыма, чем шлейф с тем же числом Рингельмана, который выбрасывается из трубы большого диаметра, так как при прохождении света через шлейф от малого источника кажущаяся степень черноты будет меньше.
Кроме того, высокая скорость истечения из трубы (например, вследствие вдува разбавляющего воздуха в основание дымного шлейфа) может приводить к тому, что масса выбрасываемых дымовых частиц будет велика при малых значениях числа Рингельмана. В некоторых методах измерения используются источник света и фотоэлектрический приемник, устанавливаемые по разные стороны шлейфа. Подобные приборы калибруются в процентах прохождения света через шлейф, в оптической плотности шлейфа или же в эмпирических единицах Рингельмана.
Однако при калибровке такого инструмента следует учитывать и размеры частиц, поскольку концентрация частиц дыма, необходимая для уменьшения прохождения' света до некоторого данного уровня, зависит от природы частиц и распределения их по размерам. Эта концентрация снижается при уменьшении размера частиц. Имеется ряд портативных приборов с отбором пробы выхлопных газов и прокачиванием ее с помощью насоса через рабочую 524 Глава 4« секцию, расположенную между лампой и фотоэлектрическим приемником. Наиболее известным устройством этого типа является дымомер Хартриджа (компании «Бритиш петролеума). Установка нуля дымомера осуществляется при замене рабочей секции на такую же секцию, заполненную профильтрованным окружающим воздухом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
