Введение к работе
Актуальность темы. Использование углеводородных топлив в качестве хладоагента для улучшения характеристик двигателей летательных аппаратов и непосредственно самих летательных аппаратов, рассматривается как один из перспективных путей развития авиации.
При больших скоростях полета (М > 3,5 + 4) углеводородные топлива являются единственным источником холода для обеспечения надежной работы конструкций планера летательного аппарата и его силовой установки и применение углеводородных гоплив в качестве охладителя и использование продуктов их химических превращений (конверсии) может рассматриваться как метод обеспечения работоспособности конструкции двигателя и аппарата, а также улучшения термодинамического цикла воздушно-реактивного двигателя.
В неавиационных теплосиловых установках применение конверсии топлив может обеспечить сокращения потерь теплоты за счет эндотермического эффекта реакции конверсии, улучшение кинетических характеристик выгорания топлива, и8-8а наличия водорода и легких углеводородов в продуктах конверсии, что в свою очередь приводит также к снижению вредных выбросов в атмосферу и позволяет расширить ассортимент используемых топлив.
Величина относительного хладоресурса топлива от температуры плавления до температуры, которая характеризует примерную температуру начала конверсии составляет до 3 X от теплоты сгорания. Дальнейшее увеличение относительного хладоресурса авиационных' топлив возможно только при конверсии топлива, которая может состоять как в реализации реакции термической деструкции топлива, так и эндотермической реакции топлива с различными добавками.
Для создания и надежной эксплуатации аппаратов и устройств, в которых происходит конверсия углеводородных топлив, особую важность приобретает изучение процессов тепло- и массо-обмена.
Цель работы. Исследование теплообмена в процессе термической деструкции углеводородных топлив и изучения возможности увеличения их хладоресурса для улучшения на этой основе эффективности теплосиловых установок.
- г -
Научная новивна.
-
Разработана методика доведения экспериментов, позво-ляющая установить все параметры, необходимые для полного описания многокомпонентной реагирующей системы и получить экспериментальные данные необходимые для проведения расчетов.
-
На основании разработанной методики создан экспериментальный стенд для исследования теплообмена при протекании химических реакций. Данный стенд позволяет получить представительную пробу теплоносителя в промежуточном сечении рабочего канала. Его конструкция признана изобретением, и защищена авторским свидетельством.
-
Получены новые экспериментальные данные по теплоотдаче к изооктану в круглой трубе ь условиях установившегося турбулентного течения при наличии реакции термической деструкции.
-
Разработана методика обработки экспериментальных данных по теплоотдаче к изооктану в условиях реакции термического распада, -включающая расчет среднемассовои температуры потока при неизвестной кинетике протекания реакции тер лческой деструкции,
-
На основе этой методики и экспериментальных данных получена обобщающая зависимость, позволяющая рассчитать теплоотдачу к изооктану в условиях реакции термической деструкции. Показано, чтр эндотермическая реакция распада углеводорода существенно интенсифицирует теплоотдачу по сравнении с инертным потоком.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
Экспериментально доказана возможность увеличения хла-доресурса углеводородных топлив за счет осуществления реакции термической деструкции.
-
Экспериментально показано увеличение интенсивности теплоотдачи оі геплообменной поверхности к углеводороду в условиях реакции термической деструкции.
-
Получена обобщающая зависимость для теплоотдачи к изооктану в условиях развитого турбулентного потока при наличии реакции термической деструкции.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной
3 "
.работы использованы в равработках Центрального института авиационного моторостроения им. П.И.Баранова (ЩАМ г.Москва), а также ь лаборатории топливоиспольвования Института технической теплофизики НАН Украины для систем термохимической обработки углеводородного топлива в двигателях внутреннего сгорания с целью повышения их экономичности и снижения вредных выбросов, содержащихся в выхлопных гавах. На защиту выносятся:
-
Методика расчета среднемассовой температуры теплоносителя при протекании химических реакций в отсутствие полных данных о кинетике происходящих процессов.
-
Методика обработки экспериментальных данных по теплоотдаче к углеводородам в условиях реакции термической деструкции.
-
Обобщающая зависимость по теплоотдаче к ивооктану в условиях развитого турбулентного движения при наличии реакции термической деструкции.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 1 Межотраслевой научно-технической конференции по проблеме химической регенерации тепла в летательных аппаратах и силовых установках (Москва, ЦИАМ, 1988г.), совместной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ЭНИН им.Г.М.Кржижановского и ЙТИ им. ,Ф.Э.Дзержинского (Москва, ЭНИН, 1989г.), Республиканской научно-технической конференции Повышение эффективности использования топлива в энергетике, промышленности и на транспорте" (Киев, 1989г.), VI Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики" (Новосибирск, 1990г.), XIX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ИТГФ АН Украины (Киев, 1990г.), II Республиканской конференции "Совершенствование теории и техники тепловой защиты энергетических устройств" (Житомир, 1990г.), II Межотраслевой научно-технической конференции по проблеме химической регенерации тепла в летательных аппаратах и силовых установках (Москва, ЩАМ, 1991г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 авторских свидетельства.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, перечня литературных источников из 134 наименований, приложений и составляет 157 страниц, включая 27 рисунков и 5 таблиц.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования и 4->Рмулируется его цель.
В первой главе рассматривается состояние вопроса в области теплообмена при течении в каналах химически реагирующих теплоносителей, особенности углеводородов как теплоносителей, а также некоторые сведения о кинетике термического разложения углеводородов.
Как показал проведенный анализ, основным мзтодом обобщения данных по тепломассообмену при наличии химических реакций является метод, при котором расчет производят по обобщающим вависимостям для нереагирущего ("замороженного") потока, а учет влияния химических реакций на тепломассообмен производят с помощью введения в эти формулы параметров, эрактеризующих влияние химической реакции. Учет влияния химической реакции можно проводить как с помощью, так называемых, "эффективных" теплофизических свойств, путем определения коэффициента теплоотдачи по перепаду полных энтальпий, так и с помощью безразмерных критериев, характеризующих влияние отношений гидродинамических процессов и химических процессов на теп.томассообмен. Использование для расчета тепломассообмена при наличии химических реакций теоретических представлений требует привлечения эмпирических кс'стант пригодных только лишь для конкретных веществ, а сами эти константы могут быть получены из сопоставления расчетов с экспериментальными данными.
Как показывает обзор, все зависимости, обобщающие экспериментальные данные по тепломассообмену при наличии химических реакций,, получены для бинарных смесей или для смесей допускающих их квазибинарное приближение. Для смесей, компоненты которых имеют сильно различающиеся молекулярно-диффуэионные свойства, критериальные зависимости и методы их получения в литературе отсутствуют.
Изучение конвективного теплообмена при турбулентном тече-
иии углеводородов в каналах носило преимущественно кач-ствен-ный характер. Попытка описать теплоотдачу к углеводородам с помощью обобщающих зависимостей при больших температурных & порах, в условиях высоких тепловых потоков успеха не имела. Воэмокносг- протек;лия термической деструкции при высоких :ем-пературах стенки лишь поверхностно упоминалась в некоторых па-ботах. Исключение из анализа влияния реакции термическс". деструкции на теплообмен может привести к она.ительным ошибкам.
В процессе нагрева углеводородов на теплообменк"х поверхностях возникают твердые углеродистые отложенда., которые оказывают влияние на процесс теплоотдачи. Э-э влияние можно учитывать по скорости роста термичесїюго сопротивления.
Обобщающие зависимости для теплоотдачи к углеводородным топливам получены для умеренных среднемассовых температур среда и їемперсі.ур сгенки каналов. Особенностью этих зависимостей являются различные значения корреляционных констант лля различных топлив и.разброс . датах 25 - 30%.
Экспериментальные данные по теплоотдаче к углеводородным топливаї' для условий, при ..оторых имеет место реакция термической деструкции топлива, т.е. для высоких среднемассовых температур топлива и высоких температур стенки отсутствуют.
В соответствии с наложенным выше, настоящая диссертационная работа предусматривает решение следующих задач:
-
Разработать методику проведения зкспериментов, котс^ая бы позволяла установить в процессе эксперимента все параметры, необходимые дня полного описания процесса теплообмена в условиях реакции термической деструкции.
-
На основе разработанной методики создать экспериментальный стенд для исследования теплообмена при протекании химических реакций и получения макрокинетичесыю данных по реакции конверсии углеводородов.
-
Провести экспериментальные исследования по конвеїстив-ному теплообмену углеводородов в каналах при наличии реакции термической деструкции.
-
Разработать методику обработки экспериментальны данных по теплообмену углегэдородов при наличии реакции термической деструкции и получить обобщающую зависимость.
- є -
5. На основе полученной обобщающей зависимости разработать методику расчета поверхностей нагрева теплонапряженных уалов теплосиловых установок и выдать рекомендации по ее ис-поль8ованию.
Во второй главе приведены программа экспериментальных исследований, описан экспериментальный стенд, включая аппаратуру и приборы, описанз методика обработки экспериментальных данных, дана оценка погрешности результатов экспериментов.
Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рисі. Жидкий углеводород вытеснялся из топливного бака 1 инертным гавом из баллона 2 через редуктор 3, и пройдя токоразделитель 4, поступал на вход канала предварительного нагрева 5, а затем в рабочий канал 6. Нагрев каналов осуществлялся непосредственным пропусканием электрического тока от понижающих трансформаторов 7, включенных в сеть черев автотрансформаторы 8. Рабочий канал 6 имел промежуточный токоподвод и подключен к поникающему трансформатору 7, через делитель напряжения 9 и переключатели 10 и 11, которые подключены к промежуточному и выходному токоподводам, соответственно. На входе и выходе иэ каналов для сглаживания гидравлических пульсаций установлены демпферы 12, к которым подключены манометры для измерения давления по тракту обогреваемой среды., На выходе из каналов 5 и 6, а также по месту промежуточного токоподвода рабочего канала 6 для отбора проб для химического -лализа установлены холодильники 13, к которым подключены сепараторы 14, служащие для разделения жидкой и газовой фазы продуктов реакции термической -.еструкции углеводородов, а также для измерения расхода жидкой фазы. Расход газовой фазы измерялся па выходе иэ сепаратора 14 расходомером 15. Для измерения температур стенок каналы 5 и 6 были препарированы термопарами, которые подключались к многоточечному потенциометру 16. При этом, черев коммутатор 17 одновременно измерялось падение напряжения между одноименными электродами соседних термопар.
Экспериментальная установка поэволяла осуществлять отбор представительной пробы в месте расположения промежуточного токоподвода. При этом тешгагидравлические условия в момент отбора, до места где проба отбиралась, не изменялись;
Рисі . Принципиальная схема экспериментальной устймспуш: I-топливныЙ бак; 2-Лаллон газовый; 3-редук-тор; 4-тоноразделитёль; 5-канал предварительного наїгрева; b-рабочий канал; 7-пошЕкаюций tpaHcoopvaTop; 8-автотрансформатор; 9-делитель напряжения; 10,11-лереключатели; І2-деупфер; 13-холодильник; 14-сепа-ратор; 15-расходомер; 16- потенциометр;!?'- коммутатор.
Каналы предварительного нагрева и рабочьл имели одинаковую принципиальную конструкцию. Они бьши выпол"ены из :; .зубок иа нержавеющей стали марки 0Х18Н1ОТ диаметром 4,8x0,3 мм, на концах которой расположены камеры смешения.
С целью достижения воспроизводимости результатов экспериментов перед каждык опытом производились операции по очистке внутренней ловерхгтсти теплообмена от во8У>жных твердых углеродистых отложений.
Среднемассовая температура потока теплоносителя определялась расчетным путем иэ уравнения теплового баланса на участке протекания реакции термической деструкции углеводорода. Это уравнение г дифференциальной форме имеет вид:
рй Cpmix -~- - -^ - qp
Ол Го
Определение теплового эффекта реакции и осреднешгай по
сечению трубы скорое-.и реакции «о> в уравнении (1) для многокомпонентной неравновесно реагирующей смеси весьма затруднительно. В нашеу случае, когда одновременно протекает.большое количество реакций, продуктами которых являются вещества с сильне различающимися молекулярно-диффузионными свелствами, прибегнуть к квазибинарному приближению состава смеси не представляется вов"ожиым. Однако, если известно изменение состава теплоносителя по длине, то тепловой эффект реакции в соответствии с законом Кирхгофа можно выразить как;
hp - qp«>» - CiXfCpidT+hi0) - Е Cj ffCpjdT+hj0). (2)
Таким обравом, уравнение теплового бал^чса для 3-го расчетного участка будет тлеть вид
Qi - uhpjQ , (3)
Ahpi^^a^CTj-Tol+hk^nk-E^i (Ti-i)[Ti-i-To]+hi0)ni. (4)
Откуда для определения среднемассовой температуры потока на 3-м участке рабочего кана-г получаем выражение
(5)
Cpmlx(Tj-i) + т L _ Cpmtx(T.i-i) Cpmix(Tj) * CpmixCTj)
Qj - AhPiG.
6Сй„іх(Ті)'
Cproix(Tj) - ECpk(Tj)nk; Cpmix(Tj-i) - S^i(Tj-i)ni;
Ahpd - Е(пкпк - hihi).
Точка начала реакции '-ёрмической деструкции определялась из' условия превышения среднемассовои температурой потока Гж температуры насыщения теплоносителя при давлении в рабочем канале TS) а также,достижения температурой стенки Тс значения, при котором скорость реакции термического разложения принимает значения дающие выход реакции, который ' поддается инструментальному обнару* нию.
В основу обобщения опытных данных по теплоотдаче при термической деструкции изооктана было принято положение, что влияние на теплоотдачу кинетики реакции и зависимости физических свойств от температуры и состава разделяется. Исходя из этого результаты экспериментов обрабатывались в виде:
Ku/Nu* - (-Сдиа/ *хим). (6)
где Nu « Рс<1А(Гс-Тж) - число Нуссельта, полученное из опытных данных; Nu» - число Нуссельта для турбулентного течения.нереа-гирующего газа с переменными физическими свойствами для теплоотдачи к газам различной атомности при qc'« const.
Характерное время турбулентной диффувии определялось как
Тдиф - d2/Dr, СП
где d - внутренний диаметр канала, м;
DT- - коэффициент турбулентной диффузии, м2/сек.
Цепная схема течения реакции термического разложения углеводородов приводит к уравнению кинетики, соответствующему реакции первого порядка. В соответствии с этим характерное время химической реакции определялось как:
tXHM - 1/kf, (8)
где kf - k0exp(-E/RT) - константа скорости реакции термической деструкции молекулы на п ^а радикала.
- 10 -Отношение характерных времен турбулентной диффузии и химических превращений в потоке определялось как
Тдиф/т хим - kfp d/рй - К. . (9)
Погрешность определения локального числа Нуссельта оценивалась как'бци - 19%..
В третьей главе представлены условия проведения эксперимента и основные результаты исследования, которые включают оценку характерных времен для турбулентного течения углеводорода в трубе в условиях реакции термической деструкции, исследование свойств ивооктана, подвергающегося термическому распаду; закономерности теплоотдачи к И8ооктану в условиях реакции термической деструкции, а также инженерную методику расчета поверхностей нагрева.
Настоящее исследование охватывало следующий диапазон параметров: Р < 1 МПа, Тс < 760 С, qc < (0,1 + 0,5)- 10б Вт/м2, Re « (1,0 +.8,0)-10^, степень превращения ивооктана Z* < 56Х в условиях стабилизированного потока жидкости.
В качестве модельного углеводородного топлива был выбран И80октан (2,2,4-триметилпентан), который по своему молекулярному весу и соотношению С7Н хорошо моделирует углеводородные топлива, применяющиеся в современной технике.
Для'создания расчетной модели процесса теплообмена и обработки экспериментальных данных была проведена оценка характерных времен: гидродинамического, турбулентности и химических превращений.
Характерное гидродинамическсэ время определялось из соотношения
Сгмдр - Характерное время турбулентности оценивалось иэ известного соотношения: т:Турб/т:Гидр <. Ю~2. Характерное химическое время для реакции термической деструкции ивооктана оценивалось-по реакции, которая имела наибольшую энергию активации-'И, таким образом, являлась лимитирующей для данного процесса. То есть, оценивалось максимальное время химической релаксации. /;Для процесса термической деструк- - li -ции И800ктана лимитирующей реакцией является реакция распада молекулы ивооктана на два радикала: И80-С8Н18 * 2трет-С4Нд. Для этой реакции было получено выражение для оценки характерного химического времени *хим -i/ki. (И) где ki- константа скорости прямой реакции. Расчет показал, чго реакция термической деструкции изоок-тана не равновесна по отношению к осредненному течению и ''заморожена" по отношению к пульсациям. По сравнению с нереагирующими теплоносителями распадающийся под действием высокой температуры изооктан имеет более высокие значения теплоемкости я теплопроводности значительно превышающие величины эти величины для "замороженной" смеси того же состава. В неизогермической смеси химически реагирующих газов в области с повышенной температурой происходит распад более тяжелых молекул с поглощением теплоты. Продукты реакции в виде легких молекул диффундируют в низкотемпературную область, где могут рекомбинировать с выделением теплоты реакции. Поэтому для химически реагирующих систем понятие теплофиэичес-ких свойств должно включать не только характеристики данного вещества, но кинетику протекания и тепловые эффекты реакций. Нетепловые свойства, т.е. коэффициента вязкости и диффузии, могут рассчитываться по зависимостям для нереагирующих смесей газов, так как влияние реакции эдесь проявляется в виде изменения состава смеси в зависимости от внешних параметров. На рис.2 приведены данные для характерного режима проведения экспериментов по эффективным и "замороженным" значениям теплоемкости и теплопроводности по длине участка протекания химической реакции. Изменение чисел Рг, Sci и Lei представлено на рис.3. Здесь индекс "1" - это номер компонента смеси, в нашем случае - изооктана. Анализ изменения температур по длине участка протекания реакции термической деструкции показал, что с ростом удельной тепловой нагрузки на теплоноситель qc/pw возрастает и уровень їеМператур стеной. Однако рост теитературы стенки для условий 80 x/d С„ хДх/кі 20 40 60 JO x/d л Рис.2. Ивыенвннэ по дише участка протеканш химической реакции теплоемкости Ср.(а) и теплопроводности X (б): 1 - "вачюртаенноз", 2 - "эффективное" значенім (Q - 1.9659 кГ/ч; Рср- 0,15 МПа; ТВых -627 С; Zbux - 11.8Г). 'О 20 40 60 80 x/d Рис.3. т'")ыенени8.чисел Рг, Scj и Lei по длине участка протекания химической реакции. близких к qc=const происходит более медленно, чем в случае для инертного' теплоносителя. Рост температуры потока происходит также* более медленными темпами, чем'в'случае отсутствия химических реакций. Данные положения отражены на рис.4, где показано изменение температур'по длине. Из данного рисунка видно, что для нереагирущего теплоносителя температура потока при данных тепловых нагрузках на определенном участке может достичь, а далее превышать температуру стенки, что делает невозможным теплообмен и, следовательно, использование инертного теплоносителя в качестве хладоагента для данных условий. Результаты обработки опытных данных, полученных на основе соотношения (6), представлены на рис 5. Обобщающая зависимость имеет вид JNu г 1 + 1,63-103 К0-72! -п .... ~тИ = I 1 + 0,87 Ки- і (12) Среднеквадратичное отклонение опытных точек от зависимости (12) состав-яет б - 0,3. Расчет поверхностен нагрева теплонапряженных узлов теплосиловых установок, охлаждаемых разлагающимся углеводородным топливом, в основных своих положениях сходен с расчетом тепло-обменных поверхностей, охлаждаемых инертным теплоносителем. Основным расчетным уравнением является уравнение теплопередачи Q - kFut. Для нахождения поверхности нагрева необходимо определить коэффициент теплопередачи К и средний температурный напор At. Средняя разность температур может быть определена обычным образом, как и для нереагирущих теплоносителей. Выражение для коэффициента теплопередачи внешне также имеет вид как и для случая инертных теплоносителей. Настоящее исследование позволило определить входящий в выражение для к коэффициент теплоотдачи а% от внутренней стенки теплообменяой поверхности к термически разлагающемуся углеводородному теплоносителю. Он может быть получен иа обобщавшей теплоотдачу критериальной еависимости (12) и дальнейшем осреднении соответствующим способом. Обобщающие теплоотдачу к термически разлагающимся теплоносителям зависимости могут испольвоваться только для тех ус- *2000 20 40 60 80 100 x/d Рис.4. Изменение температур по длине участка протекания реакции: 1- гемпеиатура стенки, 2- тешература реагирующего потока, 3- температура потока замороженного состава; А - qc/pw-2556,8 Дж/кГ; + - gc/pw-2960,4 Дж/кГ; о - Ос/рй-3833,1 Дж/кГ.- Рис.5. Обобщение опытных данных по теплоотдаче к изооктану при наличии реакции термической деструкции. - їв -ловий. и только для тех индивидуальных углеводородов или углеводородных топлив для которых они были получены. В заключении сформулированы новые результаты, полученные в диссертационной работе.Похожие диссертации на Теплообмен при термической деструкции углеводородных топлив в элементах теплосиловых установок
