Реферат на тему "Реализация хладоресурса углеводородных топлив в силовых и энергетических установках"




Реферат на тему

текст обсуждение файлы править категориядобавить материалпродать работу




Реферат на тему Реализация хладоресурса углеводородных топлив в силовых и энергетических установках

скачать

Найти другие подобные рефераты.

Реферат *
Размер: 280.73 кб.
Язык: русский
Разместил (а): Галимов
Предыдущая страница 1 2 3 4 Следующая страница

добавить материал

Замедление зарождения паровых пузырей по сравнению с чистой поверхностью можно объяснить только низкой теплопроводностью и толщиной этих отложений.
Аналогичные результаты получены также при обратном переходе от режима одиночных пузырей к однофазной конвекции. Здесь наблюдалось незначительное снижение плотности теплового потока, т.е. имел место своего рода гистерезис вырождения кипения как для чистой поверхности, так и для поверхности с отложениями. Причем величина гистерезиса для чистой поверхности лежит в пределах 1-1.5 кВт/м2, а для поверхностей с отложениями составляет до 3-5 кВт/м2.
а)
б)
Рис.13. Влияние коксоотложений на переход
а) -от режима естественной конвекции к пузырьковому кипению;
б) - от режима пузырькового кипения к естественной конвекции.
На рисунке 13б представлены результаты экспериментов для топлива ТС‑1. Следует также отметить, что вырождение пузырей на поверхности после 8 часов развитого кипения происходит значительно позже, чем для чистой поверхности и поверхности после однофазного окисления, что также объясняется природой процесса кипения. Динамические процессы на поверхности кипения, связанные с ростом парового пузыря, приводят к деформации образовавшихся отложений, что приводит к росту неровностей и шероховатости. Для отложений, образовавшихся при повышенной температуре, как уже отмечалось ранее, свойственно присутствие асфальтено-смолистых и карбено-карбоидных соединений, шероховатость которых оказывается значительно выше, чем для поверхности с смолообразными отложениями.
Аналогичные результаты получены также для топлив РТ, Т-6, Т-1.
Для расчета теплоотдачи при кипении топлив на поверхности, покрытых отложениями, теплофизические свойства которых заметно отличны от свойств металла, известные формулы, полученные при кипении на трубках в начале наработки, когда отложений не было, в общем случае оказываются непригодными. Это обусловлено тем, что появление слоя малотеплопроводных отложений на металлической стенке приводит к изменению условий для зарождения и роста паровых пузырей. В зависимости от природы образовавшихся отложений, значительно претерпевается изменению шероховатость поверхности, а также заметно уменьшается коэффициент аккумуляции тепла на стенке , что в свою очередь снижает интенсивность теплоотдачи. Кроме этого, отложения оказывают влияние на возникновение температурных пульсаций при испарении микрослоя жидкости в окрестности центров парообразования.
Как показали предварительные эксперименты, влиянием шероховатости стенки, вследствие образования отложений при развитом кипении, можно пренебречь, так как в условиях развитого пузырькового кипения коэффициент теплоотдачи в течение значительного времени изменяется незначительно. Кроме того, как показали эксперименты по зарождению пузырей (Рис.13), отложения, образованные в условиях кипения, оказали меньшее влияние на образование паровой фазы, чем смолообразные отложения, которые образуются при пониженных температурах. В связи со всем вышесказанным можно заключить, что на поверхностях нагрева, обработанных по техническому классу чистоты (Ñ6‑7 и ниже) со средней глубиной впадин до 10 мкм, т.е. достаточно грубо, изменение шероховатости за счет коксоотложений не оказывает влияния на коэффициент теплоотдачи.
Среднее значение глубины проникновения температурных пульсаций при испарении микрослоя топлив с поверхности отложений, согласно оценкам, выполненным по формуле
,          (7)
не превышает 0.1 мм.
Для описания теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в условиях образования на поверхности нагрева отложений получена расчетная зависимость
,                                    (8)
где a рассчитывается из уравнения (5).
Параметр  определяется из выражения
[dотл/hср+(1-dотл/hср)2 ]2 . (9)
Выражение (8) отличается своей универсальностью. Так для чистой поверхности выражение под корнем =1. Для условия, когда толщина отложений dотл, превышает величину глубины температурных пульсаций (hср/dотл<1), расчет ведется согласно теплофизическим свойствам отложений, а для случая, когда (hср/dотл>1), используется выражение (9)
Погрешность расчета по зависимости (8) не превышает ± 35 % для всех исследованных топлив.
 
Глава 4 посвящена моделированию процессов теплообмена и образования коксоотложений при течении углеводородных топлив в топливных каналах силовых и энергетических установок. Предложена трехстадийная схема образования веществ кокса
                            Топливо + Кислород   Промежуточные продукты
Промежуточные продукты + Топливо   ВМС                                     (10)
                                                        ВМС   кокс
Рассмотрим окисление углеводородов по этой схеме при развитом турбулентном течении в обогреваемых каналах.
Поскольку концентрации продуктов окисления весьма малы (~10-4 моль/л) и концентрация кислорода незначительна (~10-2 моль/л), изменением концентрации топлива и тепловыми эффектами реакции окисления можно пренебречь, и течение окисляемого топлива можно отнести к классу течений химически реагирующих сильно разбавленных жидкостей.
Система уравнений гидродинамики и теплообмена записывается в виде:
 ,                                (11)
  ,                                                            (12)
,                                                                                      (13)
                                                                          (14)
,                                                 (15)
                                                                        (16)
                                                                               (17)
                                                                                  (18)
                                                          (19)
с граничными условиями:
x=0: wx= , wr=0 h=hо(r);
r=0:  ;                                                                 (20)
r=rw: wx=wr=0 ; -
В этих уравнениях: wx и wr –составляющие скорости вдоль оси трубы x и радиуса r; h –энтальпия; P –давление; r –плотность; t и q –суммарное (молекулярное и турбулентное) касательное напряжение и поперечный тепловой поток, которые выражаются через кинематический коэффициент турбулентной вязкости et и коэффициент турбулентной температуропроводности eq; m –динамический коэффициент вязкости; l ‑коэффициент теплопроводности; Cp –теплоемкость.
Тогда выражения (14) и (16) с учетом (17) и (18) перепишутся в виде
t ;    q=                  (21)
где Pr=n/a ‑молекулярное число Прандтля;
Prт=et/eq –турбулентное число Прандтля, которое принимается равным единице.
Коэффициент турбулентной вязкости при переменных физических свойствах et 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/rw=1-h/hо , hо=  .
Система уравнений баланса масс имеет вид:
, i=1,2,3       (24)
где ji -соответственно, источниковый член. Для кислорода (i=1), промежуточного продукта (i=2) и ВМС (i=3); сi‑весовая концентрация; Di и DTi соответственно коэффициенты молекулярной и турбулентной диффузии, рассчитываемые согласно теории кинетики химических реакций.
Граничные условия :
r=0; =0.
х=0; C1=Co; C2,3=0                                                (25)
r=rw ;  ;  .
Запишем выражения для источниковых членов:
j1=K1c1cRHr2RH ;
j2=K1c1cRH/ -K2c2cRHr/МRH ;                             (26)
j3=K3c3cRHr2RH
Мi -молекулярная масса, кг/кмоль; Ki=Ai.exp(-Ei/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: J3w=Kwc3w, где Кw -константа скорости реакции на стенке. Величина Kw 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 tн -время наработки, Kg -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 Æ4х1500; 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 qw=3,8.105 Вт/м2; расходе G=0,585.10-2 кг/с; и температуре на входе Твх=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
Температура образования кокса оС
Степень очистки %
250-350
350-550
550-700
700-800
До 20
20-30
25-40
90-95
 
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
Температура образования
Степень очистки *
коксоотложений, оС
СМС
РЭС
300
25-45
60-70
400
20-30
40-50
500
15-20
30-40
600
10-15
20-30
* 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 Т@20 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
Температура образования кокса оС
Степень очистки, %
Расплав солей
Расплав щелочей
Сгорание в воздушном потоке
250-350
350-550
550-700
700-800
90-95
87-93
85-90
85-90
90-95
86-94
86-90
85-90
95-100
92-98
92-95
90-95
 
Автором разработана технология (Рис.15) и опробован на реальных объектах метод удаления коксоотложений посредством озонолиза.

Рис.15 Схема технологического процесса удаления коксоотложений озонированием
1 -баллон с кислородом; 2 - генератор озона; 3 - реактор; 4 - электропечь;
5 - очищаемый элемент; 6 – анализатор двойных связей АДС-4;
7 - бак для промывки органическими растворителями;
8 - бак для промывки водными растворами неорганических веществ;
9 - бак для промывки водой; 10 - бак для сушки.
Удаление коксоотложений посредством озонирования проводилось следующим образом: трубка с коксом продувалась смесью О23 при температурах 20-150 оС в течение 15 мин. В качестве источника О3 использовали генератор озона ГО-3 (концентрация О3 в кислороде 4% объемн.). После обработки озоном отложения последовательно обрабатывались ацетоном и 18%-ным водным раствором едкого натрия при температурах 70-85 оС.
Предыдущая страница 1 2 3 4 Следующая страница


Реализация хладоресурса углеводородных топлив в силовых и энергетических установках

Скачать реферат бесплатно


Постоянный url этой страницы:
http://referatnatemu.com/?id=28&часть=3



вверх страницы

Рейтинг@Mail.ru
Copyright © 2010-2015 referatnatemu.com