Введение к работе
Актуальность проблемы. Разработка новых и оптимизация существующих энергетических установок ( топок парогенераторов , камер сгорания, аппаратов по термической переработке твердых топлив и т.д. ) невозможны без детального исследования кинетических процессов, протекающих в рабочих телах этих установок и описываемых совокупностью гсшетических коэффициентов ( константы скоростей химических реакций, коэффициенты переноса ) в- гидродинамических уравнениях. Актуальность проблемы обусловлена той важностью, которую указанные процессы играют в современных технологиях.
Кинетические процессы принято классифицировать по тем условиям, которые реализуются в среде, в классической физической кинетике газов, которая рассматривает эффекты проигранствешюй неоднородности , наиболзе тщательно проанализированы кинетические коэффициенты ( коэффициенты переноса ) при упрощающем предположении об отсутствии химических реакций. В химической кинетика обычно учитываются временные изменен-і характеристик процесса и предполагается однородность в пространстве. В действительности рабочие і.ла энергетических установок являют я как плавило сложными химически реагирующими многофазны"и сред?чи,в *оторых могут иметь место и химические реакшг', и пространственные градиенты. По этой причине является важной необходимость обращения к основам кинетической теории для исследования взаимного влияния этих параметров среды на кинетические коэффициенты. ... - до настоящего времени большинство работ по созданию и проектированию энергетических установок было основано н^ использовании нормативах балансовых методов расчета. Сущестпнным недостатком такого подхода является применимость для ограниченного класса течений и конструкций, в рамках которых получены основные эмпирлческие зависимости, положенные в основу расч тных и.тодак. Для корректировки нормативных методов проводится большое количе-егм экспериментэльных стендовых и промышленных исследований,Ч"0 существенно увеличивает время разработки новой техники. Наиболее действенным подходом к решению проблемы является разработка кря-; мых методов численного моделирования совокупности взаимосЕязан-. ных кинитических процессов. Практика показывает, что в тех слу-
_ A _
чаях, когда используются хорошо апробированные математические модели и вычислительные алгоритмы , дополнительная информация, получаемая с помощью численного моделирования , не уступает по надежности экспериментальным данным и превосходит последние по своей исчерпывающей полноте. В связи с этим разработка методов математического моделирования для расчета кинетических процессов в рабочих телэх энергетических установок, выделения наиболее ввг роятных механизмов этих процессов и их оптимизации представляется чрезвычайно актуальной.
Целью работы является формирование достаточно общего подхода к исследоваш^э кинетических.процессов в рабочих телах энергетических установок и создание на этой основе эффективных методо" расчета указанных процессов для выбора оптимальных конструктивных и режимных параметров функционирования энергетических установок.
Научная новизна раиоты заключается в следующем:
оценен вклад столкновений, приводящих к химическим реакциям, в коэффициенты переноса в равновесном диссотдаруицем и частично ионизованном газе,-
иссх довано влияние химической неравновесности на коэффициенты переноса в диссоциирующем двухатомном газе;
исследовано влияние процесса выравнивания поступательно-вращательной и колебательной температур на коэффициенты переноса в чистом молекулярном газе;
теоретически решена задач*, о неупругом столкноьзнии молекул для пространственной модели столкновений и получено выражение для времени вращательной релаксации, обобщающее известное выражение Паркера;
универсальная программа расчета равновесного состава л коэффициентов перен ,>са газовой фазы в гетерогенной двухфазной системе, состоящей из газа и мелкодисперсного конденсвиа , о учетом термоэми<,сии электронов с частиц конденсата является оригиналь-льной и по свои., возможностям шире других существующих программ аналогичного назначеная;
на основании (общиж закономегяюстей строения орг; нической массы клей разработана оригинальная математическая модель и и прогр мма г-асчета пиролиза частиц угля; позволяющая на основе элементного состава угпя описать кинетику покомпонентного ьыхода
летучих;
созданы принципиально новые математические модели и программы расчета процессов образования и преобразования оксидов азота и серы в газовом и пылеугольном факеле;
теоретически описаны основные закономерности радиационно-химических процессов, протекающих при электронно-лучевой очистке дымовых газов ТЭС от оксидов азота и серы.
Достоверность результатов работы подтверадается хорошим согласием результатов расчетов, выполненных на основе разработанных методов и программ , с имеющимися надежными экспериментальными данными.
Автор защищает;
результаты теоретических исследований по влиянию равновесных и неравновесных химических реакций на коэффициенты переносе в химически реагирующих газах;
обобщение теории вращательной релаксации Паркера на пространственную модель столкновений;
алгоритм и программу расчета равновесного состава и коэффициентов переноса газовой фазы в гетерогенной двухфазной системе с учетом термозмиссии электронов с частиц конденсата;
математическую модель и программу расчета горения углеводородных топлив в камерах сгорания;
математическую модель и программу расчета пиролиза угольных частиц;
математические модели и программы расчета процессов горения, образования и преооразования оксидов азота и серы в пылеугольном факеле;
математическую модель и программу расчета радиационно-хими-ческих процессов в методе электронно-лучевой очистки дымовых газов ТЭС от оксидов азота и серы.
Практическая ценность работы. В настоящее время изложенные в работе результаты, методы и программы расчета кинетических процессов внедрены и используются в ОКБ ИВТАН, САФВНШІромгаз, ЦИАН, ГипроНИИавиапром, на предприятии п/я М-5539 и др.
Программный модуль tetran по расчету равновесного состава и свойств переноса двухфазных систем с учетом термозмиссии электронов с частиц конденсата вошел в качестве структурного элемента
-6 ~
в автоматизированную систзму научных исследований АВОГАДРО, разрабатываемую в настоящее время в Институте механики МГУ. Программы расчета кинетических процессов при пиролизе и горении органических тошшв легли в основу программного обеспечения научного направления Экологические проблемы теплоэнергетики", разрабатываемого в рамках системы АВОГАДРО.
С помощью программы radiat, описывающей кинетику радиационно-химических процессов, протекающих ори электронно-лучевой очистке дымовых газов ТЭС от оксидов азота и серы, проведена серна расчетов, на основе которых в ЭНИН им.Г.М.Кржижавовского разработана технологическая схема первой в стране опытной электронно-луче^ой установки, которая в настоящее время сооружается на Черепетской ГРЭС Тулаэнерго.
Результаты работы могут быть использованы в смежных областях науки: для создания мощных газодинамических лазеров , при исследовании физико-химических процессов в верхних слоях атмосферы, ударных волнах, при создании автоматизированных систем научных исследований.
Личный вклад автора заключается в формировании общих концепций настоящей работы, разработке математических моделей и программ расчета кинетических процессов, непосредственном участии в проведении расчетш-теоретических исследований, во внедрении полученных резгльтатов. ,
Публикации. Гэзультаты выполненных исследований.теоретических и практических разработок опубликованы в 49 статьях и материалах научно-технических конференций и одной монографии. По материалам исследований составлено 55 отчетов и технических справок по НИР энина за ів7«-і9із г.г.
- Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсутдены на следупцих совещаниях и конференциях;
vi и "її Всесоюзных конференциях по теплофизическим свойствам ВеЩвСТВ, МИНСК 1978, ТєЯКЄНЇ 19821
Всесоюзном япучно-техничвскс і семинаре "Опыт рационального использования крупными промышленными предприятиями и ЇЗС топлнв-
Н0 3НЄі.ЛТИЧ''СКИХ ресурсов", ЛеНИНІ^аД 1982-
- viii Международной конференции по ИГД цреобразовавню энер
гии, МОСКВа 1983»
- научно-техническом совещании стран-членов СЭВ «Метода под
готовки топлива и конструкции камер сгорания для МГДЭС на угле"
Алма-Ата 1982;
- viii, їх и х Всесоюзных симпозиумах по горению и взрыву,
ТвШКРНТ 1986, СуЗДаЛЬ U89, Черноголовка 1992;
xiv Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" , Одесса хэвв,-
научно-техническом совещании стран-членов СЭВ "Методы расчета вихревых гетерогенных штоков с химическим реагированием сред. Нетоды расчета свойств продуктов сгорания", Москва і98б;
. - школе-семинаре " Фундаментальные проблемы физики ударных
ВОЛН", АЗву, ПрИЭЛЬбруСЬв 1987;
Всесоюзных семинарах «Методика прямого преобразования энергий", КИЄВ Х988-І990.*
ІИП ВсесОЮЗНЫХ КОНфереНЦИЯХ " ТеПЛООбМОН В Парогенераторах", НоВОСИбЯрСК 1988, 1990;
Минском международном форуме по тепломассообмену , Минск
1988?
xv Всесоюзной конференций * Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах^, Краснов:дово 1988,
Всесоюзной конференции "Математическое моделирование в энергетике", Киев 1990;
семинаре ЭНИН " Математическое моделирование топочных процессов, МОСКВа 1990;
Всесоюзной конференции "Экологические приблемы теплоэнергетики", Одесса 1990;
XI Всесоюзной конференции го динамике разреженных газов,
ЛеНИНГраД 1991;
-научных семинарах лаборатории химической термодиьамики и
КИНеТИКИ ЭНИН , МОСКВа 1976-1993.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из ізеде ния, восьми глав, объединенных в две части, заключения и списка литературы из гво наименований,включая зі ссылку на работы автора.Основной текст диссертации содержит 225 стрзігац машинописного текста, иллюстрируется бі рисунком и ю таблицами . С' .;::; о'іем диссертации составляет зге страниц.