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=K1c1cRHr2/МRH ;

j2=K1c1cRH/-K2c2cRHr/МRH;                             (26)

j3=K3c3cRHr2/МRH

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

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 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

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 О2+О3 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.

В таблице 5 приведены данные по степеням удаления кокса на стадиях озонирования и последовательной обработки растворителями.

Таблица 5.

Эффективность очистки методом озонирования

Изложенное выше свидетельствует о том, что предложенный метод удаления коксоотложений является весьма эффективным. Технология удаления коксоотложений на базе этого метода включает следующие операции:

1. Обработку отложений озоном при температуре »100 оС; время обработки определяется по прекращению изменения концентрации озона.

2. Промывку продуктов озонирования отложений ацетоном при температуре начала кипения.

3. Промывку продуктов озонирования отложений 18% ‑ным раствором NaOH при температурах 70-85 оС.

Рис.16. Удаление отложений методом озонирования и последующей промывки ацетоном и 18%-ным водным раствором NaOH.

Разработанная технология была использована для удаления кокса из полостей форсунок и топливного коллектора камеры сгорания в МКБ «Гранит» (Рис.16). Очистка проводилась без их предварительной разборки. После очистки посредством озонолиза получен положительный результат, заключающийся в увеличении прокачки топлива, а также в увеличении равномерности распределения расходов топлива через форсунки.

Кроме того, разработанная технология была использована для очистки от кокса закалочно-испарительных аппаратов (ЗИА) и теплообменников нефтехимических производств.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных комплексных и систематических исследований по изучению закономерностей образования коксоотложений, методов подавления и удаления отложений и процессов теплообмена установлено следующее:

·         Проблема с охлаждением силовых и энергетических установок может быть решена за счет повышения охлаждающей способности топлива (реализация теплоты парообразования и приращения энтальпии их паров), при которой суммарный хладоресурс достигает 1200-1400 кДж/кг.

·         Процесс образования кокса происходит при нагреве жидких углеводородных горючих и обусловлен окислением растворенным в них кислородом. Основными факторами, оказывающими влияние на процесс образования коксоотложений, являются: химический состав топлива, его фазовое состояние и температура, давление и скорость потока, температура, материал и состояние поверхности нагрева, контактирующей с горючим.

·          С повышением температуры увеличивается количество образующегося за определенное время осадка. При значениях температуры топлив 150 - 170 оС количество образовавшегося осадка достигает максимума, и с дальнейшим повышением температуры оно снижается, что объясняется уменьшением доступа кислорода к топливу по мере роста температуры.

·         Уменьшение шероховатости поверхности греющей стенки способствует снижению образования на ней отложений и повышению стабильности работы топливных систем и систем охлаждения двигателей.

·         Получены расчетные соотношения, позволяющие оценить влияние образования отложений на коэффициент теплоотдачи как в условиях естественной конвекции, так и в режиме развитого пузырькового кипения.

·         Разработан метод удаления отложений посредством озонолиза с последующей обработкой ацетоном и 18% -ным водным раствором NaOH,

·         Разработаны рекомендации по подавлению образования отложений при нагреве топлив, заключающиеся в удалении непредельных соединений путем предварительной обработки топлив озоном и дальнейшей его очистке через селикогелевый фильтр, обескислороживании путем барботажа инертным или нейтральным газом, подборе каталитически пассивных материалов, что позволяет повысить ресурс силовых, энергетических и технологических установок в 10 и более раз.

Проведенные исследования позволили разработать научные основы применения топлив в силовых, энергетических и технологических установках и обеспечить эффективное использование ГСМ в перспективных технических устройствах.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

В Монографиях

1.    Шигабиев Т.Н., Галимов Ф.М. Кипение смесей. Казань, Издательство НПО «Пищепромпроектмаш», 1994. -133 с.

2.    Шигабиев Т.Н., Яновский Л.С., Галимов Ф.М., Иванов В.Ф. Тепло­ и массообмен при фазовых превращениях топлив и масел. Казань, Издательство НПО «Пищепромпроектмаш», 1995. ­58 с.

3.    Шигабиев Т.Н., Яновский Л.С., Галимов Ф.М., Иванов В.Ф. Эндотермические топлива и рабочие тела силовых и энергетических установок. Казань. Издательство «Абак», 1996. ­264 с.

4.    Яновский Л.С., Дубовкин Н.Ф., Галимов Ф.М., Иванов В.Ф. Экология легких моторных топлив. Казань, Издательство «Абак», 1997. ­204 с.

5.    Яновский Л.С., Дубовкин Н.Ф., Галимов Ф.М., Иванов В.Ф., Сагидуллин Р.Н. Энергоемкие горючие. Казань, Издательство «Абак», 1997. ­131 с

6.    Дубовкин Н.Ф., Яновский Л.С., Галимов Ф.М., Иванов В.Ф., Сагидуллин Р.Н. Авиационные криогенные углеводородные топлива. Казань, Издательство «Абак», 1998. ­255 с.

7.    Яновский Л.С., Иванов В.Ф., Галимов Ф.М., Сапгир Г.Б. Коксоотложения в авиационных и ракетных двигателях. Казань, Издательство «Абак»,  1999. –284 с.

8.    Дубовкин Н.Ф., Яновский Л.С., Шигабиев Т.Н., Галимов Ф.М. Иванов В.Ф. Инженерные методы определения физико-химических и эксплуатационных свойств топлив. Казань, Издательство «Мастер Лайн», 2000. ‑378 с.

9.    Шигабиев Т.Н., Яновский Л.С., Галимов Ф.М., Иванов В.Ф. Физический и химический хладоресурс углеводородных топлив. Казань, Издательство «Мастер Лайн», 2000. –240 с.

В статьях и трудах научных конференций с открытой публикацией

1.    Шигабиев Т.Н., Галимов Ф.М. Теплоотдача при кипении реактивного топлива ТС­1.  /В сб. Тепло­ и массообмен в химической технологии. Казань. 1989. С.117­120.

2.    Галимов Ф.М. Шигабиев Т.Н. Обобщение опытных данных по теплоотдаче при кипении реактивных топлив //В сб. Тепло­ и массообмен в хим. технологии. Казань, 1990. С.99­102.

3.    Галимов Ф.М., Шигабиев Т.Н. Влияние длительности кипения реактивного топлива ТС­1 на состояние поверхности нагрева //В сб. Тепло­ и массообмен в хим. технологии. Казань, 1991. С.11­14.

4.    Галимов Ф.М., Головин С.В. Теплообмен при кипении многокомпонентных смесей углеводородов /Материалы IV Всесоюзной конференции молодых исследователей. ­Новосибирск, 1991. С.142­143.

5.    Галимов Ф.М. Теплоотдача при кипении реактивных топлив в условиях естественной конвекции /Автореферат диссертации на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Казань, 1991. 16с.

6.    Галимов Ф.М., Шигабиев Т.Н., Усманов А.Г. Теплообмен при кипении реактивных топлив в условиях естественной конвекции. /В сб. Тепло­ и массообмен в химической технологии. Казань. 1991. С.14­21.

7.    Шигабиев Т.Н., Галимов Ф.М. Теплообмен при кипении многокомпонентных смесей углеводородов. //Химическая промышленность. №11. 1992. С.678-681.

8.    Усманов А.Г., Гумеров Ф.М., Галимов Ф.М. и др. Исследование теплообмена при кипении реактивных и моторных топлив /Научно­технический отчет №1¸4, кафедра ТОТ КХТИ. Казань 1992­1993 гг. 65 с.

9.    Шигабиев Т.Н., Галимов Ф.М. Теплообмен при кипении реактивных топлив в диапазоне давлений 0.1­1.1 МПа. //Промышленная теплотехника. Т.16, №1, 1994. С.7­9.

10.  Галимов Ф.М., Шигабиев Т.Н. Теплообмен при кипении автомобильных бензинов и дизельных топлив в условии естественной конвекции //В сб. Тепло­ и массообмен в химической технологии. ­ Казань. ‑1994. С.46­50.

11.  Ягов В.В., Яновский Л.С., Галимов Ф.М., Тимошенко А.В. Теплообмен при пузырьковом кипении реактивных топлив //Теплофизика высоких температур. ­ 1994. ‑Т.32, №6. ­С.867­872.

12.  Шигабиев Т.Н., Галимов Ф.М.. Теплоотдача при кипении углеводородных топлив в условиях естественной конвекции //Инженерно‑физический журнал. ­1995. ­Т.68. ­№3. ­С.438­443.

13.  Шигабиев Т.Н., Галимов Ф.М. Влияние процесса фракционирования на коэффициент теплоотдачи при кипении углеводородных топлив в условии естественной конвекции //Химическая промышленность ­№2. ­1995. С.87­90.

14.  Галимов Ф.М., Гарифуллин Ф.А., Яновский Л.С. Образование коксоотложений при нагреве углеводородных топлив. /Сборник докладов и сообщений на 11­м научно­техническом семинаре “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика”. Казань. 1999. С.48­50.

15.  Галимов Ф.М., Гарифуллин Ф.А., Яновский Л.С. Использование хладоресурса реактивных топлив для охлаждения узлов и конструкций летательных аппаратов /Сборник докладов и сообщений на 11­м научно­техническом семинаре “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика”. Казань. 1999. С.52­54.

16.  Фадеев Д.А., Галимов Ф.М., Гарифуллин Ф.А. Расчет коэффициента теплоотдачи при кипении однокомпонентных систем /Сборник докладов и сообщений на 11­м научно-техническом семинаре “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика”. Казань, 1999. С.50­51.

17.  Галимов Ф.М. Возможности реализации химического хладоресурса топлив летательных аппаратов /Тезисы докладов 12­го Межвузовского научно­технического семинара “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика”. Казань, 2000. С.76‑78.

18.  Фадеев Д.А., Галимов Ф.М., Гарифуллин Ф.А. Кипение суспензионных горючих на примере смеси топлива ТС-1 и алюминия /Тезисы докладов 12­го Межвузовского научно­технического семинара “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика”. Казань, 2000. С.84‑85.

19.  Галимов Ф.М., Гарифуллин Ф.А., Яновский Л.С. Структура и состав коксоотложений в каналах ГТД и ВРД. /Тезисы докладов 12­го Межвузовского научно­технического семинара “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика”. Казань, 2000. С.80‑82.

20.  Фадеев Д.А., Галимов Ф.М., Гарифуллин Ф.А. Обобщение экспериментальных данных по теплоотдаче при кипении суспензионной смеси топлива ТС-1 и алюминия //Химическая промышленность. №10, 2000. С.53-56.

21.  Галимов Ф.М. Влияние отложений на начало образования пузырей при поверхностном кипении топлив /Тезисы докладов 12­го Межвузовского научно­технического семинара “Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика”. Казань. 2000. С.82‑83.

22.  Фадеев Д.А., Галимов Ф.М., Гарифуллин Ф.А. Кипение жидких суспензионных горючих в большом объеме //Материалы международной научной конференции «Двигатели XXI века». Москва, 2000. С.226-227.

23.  Галимов Ф.М. Возникновение кипения углеводородных топлив на поверхности при наличии отложений //Материалы всероссийской научной конференции «Тепло и массообмен в химической технологии». Казань, 2000. С.82-86.

24.  Фадеев Д.А., Галимов Ф.М., Гарифуллин Ф.А. Обобщенные зависимости для расчета интенсивности теплоотдачи при кипении однокомпонентных жидкостей в условии естественной конвекции //Материалы международной научной конференции «Двигатели XXI века». Москва, 2000. С.228-229.

Соискатель                                                             Ф.М.Галимов

Заказ                                                                                                            Тираж 100 экз

Офсетная лаборатория КГТУ

420015, г.Казань, ул.К.Маркса, 68

Страницы: 1, 2, 3