Содержание к диссертации
Введение
1. Синтетические топлива из ненефтяных невозобновляемых источников сырья 7
1.1. Синтетические топлива из угля 7
1.1.1. Пиролиз угля < 7
1.1.2. Термическое растворение угля 7
1.1.3. Каталитическая гидрогенизация угля 9
1.1.4. Газификация угля с последующим получением жидкого топлива из синтез-газа 18
1.2. Синтетические топлива из природного газа 24
1.3. Альтернативные топлива из биосырья для поршневых двигателей с искровым зажиганием 24
1.3.1. Современное состояние 24
1.3.2. Технологии производства биоэтанола 31
1.3.2.1. Ферментативный способ производства биоэтанол 31
1.3.2.2. Получение спиртов из синтез-га 32
1.3.2.3. Гидролизный способ получения этанола 33
1.4. Синтетические топлива из биосырья для поршневых двигателей с самовоспламенением от сжатия (дизелей) 34
1.4.1. Современное состояние 34
1.4.2. Технология производства биодизеля 37
1.5. Синтетическое биотопливо для авиации 40
1.6. Разработка технических требований к синтетическому
биотопливу из ненефтяного сырья для авиационных ГТД 44
Заключение и постановка задач исследования 47
2. Исследование эксплуатационных свойств авиабиотоплива при контакте с конструкционными, уплотнительными и фильтрующими материалами 49
2.1. Результаты исследований биотоплива после контакта с конструкционными и уплотнительными материалами 49
2.2. Результаты исследований биотоплива после контакта с фильтрующими материалами топливных фильтров 57
3. Исследование теплообмена и коксуемости при течении авиабиотоплив в каналах в условиях жидкофазного термоокисления 60
3.1. Экспериментальная установка и методика исследования 60
3.2. Теплоотдача при течении биотоплив сверхкритического давления в каналах 64
3.3. Интенсификация теплоотдачи и подавление коксоотложении при течении биотоплив в каналах 69
3.4. Методика расчета коксоотложении при течении биотоплив в каналах теплообменных устройств 74
3.4.1. Кинетическая модель образования вещества отложений 74
3.4.2. Упрощенная модель образования вещества отложений 76
3.5. Математическое моделирование образования коксоотложении при течении биотоплив в каналах 78
3.5.1. Двумерная модель 78
3.5.2.Анализ особенностей образования косоотложений при течении топлив в каналах 80
4. Исследование теплообмена и коксуемости при течении авиабиотоплив в каналах в условиях термодеструкции 86
4.1.Теплообмен при термодеструкции паров биотоплива в обогреваемых каналах 86
4.2.3акономерности образования коксоотложении при
термодеструкции биотоплива 92
4.3. Моделирование процессов тепло-и массообмена при течении топлив в условиях термодеструкции и образо вания коксоотложении на стенках канала 96
4.4. Результаты моделирования и расчета теплогидравлических характеристик турбулентного потока топлива в условиях термодеструкции 99
5. Разработка топливо-воздушного теплообменника перспективной авиационной силовой установки 109
5.1.Подход к проектированию и выбор геометрии теплообменника-реактора 109
5.2. Анализ устойчивости течения и равномерности раздачи топлива по каналам 131
5.3.Конструкция теплообменника-реактора и результаты его испытания 139
Заключение 159
Список литературы
- Газификация угля с последующим получением жидкого топлива из синтез-газа
- Синтетические топлива из биосырья для поршневых двигателей с самовоспламенением от сжатия (дизелей)
- Результаты исследований биотоплива после контакта с фильтрующими материалами топливных фильтров
- Интенсификация теплоотдачи и подавление коксоотложении при течении биотоплив в каналах
Введение к работе
Основными источниками энергоресурсов в мире являются нефть, природный газ, каменный и бурый угли. Доля нефти в мировом потреблении энергоресурсов составляет 40%), углей - 27%), газа - 23%). 7% энергоресурсов вырабатывают атомные электростанции. На долю ветряной, солнечной и гидроэнергии приходится около 3% [1].
Нефть, природный газ, уголь и уран являются невозобновляемыми источниками энергоресурсов и, естественно, что эти источники через какое-то время иссякнут. По прогнозу Международного Энергетического Агентства (МЭА) кратность мировых запасов нефти (отношение подтвержденных промышленных активных запасов к уровню годовой добычи) оценивается в 45-50 лет, газа - в 50-70 лет, угля - в 200-400 лет, урана - в 40-45 лет. Вместе с тем мировое потребление энергоресурсов непрерывно возрастает, и прежде всего, встает вопрос о замене нефти, из которой производится около 99% моторных топлив на другой вид сырья.
Поиск для замены нефтяных топлив на синтезированные из других видов сырья, разработка прогрессивной технологии производства синтетических топлив и их рационального применения на транспортных средствах становятся в настоящее время весьма актуальными задачами научно-исследовательских работ.
Конечно, в качестве альтернативного по отношению к нефти сырью рассматриваются, прежде всего, бурый и каменный угли, запасы которых еще остаются достаточно большими.
На сегодняшний день уже имеются доведенные до промышленного внедрения технологии производства синтетических моторных топлив из угля. Товарные синтетические топлива из бурых углей производятся в промышленных масштабах фирмой SASOL (ЮАР). Потенциальными производителями синтетических моторных топлив из угля являются фирмы ВР, Conoco-Phillips, Shell Malaysia, Exxon Mobile Qator, Chevron. Достаточно продвинутая технология производства реактивного топлива из природного газа разработана в США.
Однако уголь и природный газ, как и нефть, являются невозобновляемыми сырьевыми энергоресурсами. Кроме того, извлекая из недр уголь и природный газ и превращая их в конечном итоге в диоксид углерода, человечество увеличивает концентрацию СОг в атмосфере и, тем самым, способствует усилению парникового эффекта, вызывающего потепление климата на Земле с вытекающими из этого катастрофическими последствиями.
В настоящее время концентрация углекислого газа в атмосфере составляет примерно 400 ррм. Это в два раза больше, чем до начала промышленной революции XVIII века. К 2050 году концентрация С02 в атмосфере может достичь 500 ррм [2].
Парниковые газы (пары воды, диоксид углерода, метан) сами по себе необходимы для жизни на Земле. Пропуская через себя солнечное излучение и задерживая обратное излучение Земли, они предотвращают полное рассеивание тепловой энергии, получаемое Землей от Солнца, и поддерживают на поверхности нашей планеты температуру, подходящую для жизни и простейших, и самых сложных организмов. Но если таких газов станет слишком много, то средняя температура на земле повысится, что может привести к таянию полярных ледяных шапок с катастрофическими последствиями для всего живого на Земле.
Единственным' альтернативным топливом по отношению к нефтяным, при сгорании которого не образуется углекислого газа, является водород. Но современные способы получения водорода связаны с большими энергозатратами и использованием в качестве сырья тех же природного газа и угля. Кроме того, водород, даже жидкий, из-за малой плотности и низкой температуры кипения, в настоящее время может рассматриваться только в качестве топлива для особых случаев применения. Как топливо массового применения, водород может найти место только с развитием ядерной технологии и освоением искусственного фотосинтеза.
В настоящее время ширится движение за получение моторных топлив
из возобновляемого сырья: растительной биомассы, отходов промышленного,
бытового и сельскохозяйственного производства. Разработаны
альтернативные моторные топлива, вырабатываемые из кукурузы, сахарного тростника, рапса и других сельскохозяйственных культур. Это обычно спирты и эфиры, при сгорании которых также образуется углекислый газ, но это тот углекислый газ, который был ранее поглощен растением из воздуха и, следовательно, применение растительной биомассы в качестве сырья для производства моторных топлив не увеличивает содержание СОг в атмосфере.
В 2007 году мировое потребление нефти составило около 4-х миллиардов тонн. 2/3 из них приходится на транспорт. От этого количества на долю воздушного грузового и пассажирского транспорта приходится всего около 10% [3]. Тем не менее, США и ряд европейских стран проводят широкие исследования по разработке синтетических реактивных топлив из ненефтяного сырья.
Настоящая работа проводилась с целью определения рационального направления в разработке альтернативного (ненефтяного) топлива для авиационных газотурбинных двигателей и формирования технических требований к такому топливу, а также определения основных эксплуатационных свойств и характеристик биотоплива в условиях его нагрева в обеспечение создания научно-технического задела для разработки авиадвигателей нового поколения на альтернативных(ненефтяных) топливах.
Диссертация включает 5 глав.
В первой главе приведен обзор опубликованных работ по проблеме создания и применения альтернативных(ненефтяных)синтетических топлив,сформулирована цель и поставлены задачи настоящей работы.
Во второй главе приведены результаты экспериментального определения основных эксплуатационных свойств российского авиабиотоплива.
В третьей и четвертой главах представлены результаты исследований теплообмена и коксоотложения при течении авиабиотоплива в обогреваемых каналах топливоиспользующих агрегатов авиадвигателей в условиях термоокисления и термодеструкции.
В пятой главе приведены результаты расчета характеристик топливо-воздушного теплообменника-реактора системы охлаждения воздуха перспективной авиационной силовой установки.
Газификация угля с последующим получением жидкого топлива из синтез-газа
Лидером альтернативных видов жидкого топлива для бензиновых двигателей является биоэтанол. Для производства биоэтанола используются в основном сахарный тростник, кукуруза и различные зерновые культуры. В чистом виде биоэтанол (свойства см. табл. 1.5) применяется мало, а используется, главным образом, в качестве биодобавки к бензину.
На сегодняшний день уже более половины мирового производства этанола используется в качестве добавки к топливу для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием и лишь 15% - для производства спиртных напитков.
Основным преимуществом этанола, как моторного топлива, является его высокая антидетонационная стойкость и меньшая, по сравнению с бензинами, токсичность продуктов сгорания. Последнее обусловливается отсутствием в этаноле серы и меньшей, чем у бензина, температурой горения, и, следовательно, меньшим содержанием в продуктах сгорания токсичных окислов азота.
Биоэтанол может применяться вместо бензина либо в смеси с ним. Если содержание этанола в смеси с бензином не больше 20%, то такую смесь можно применять в любом автомобиле с бензиновым двигателем, если выше — необходима доработка двигателя.
По сравнению с бензином этанол обладает рядом недостатков. Он имеет сравнительно низкую удельную теплоту сгорания, требует значительных затрат энергии при производстве и плохо хранится, так как, с одной стороны, легко испаряется, с другой, поглощает воду из атмосферы.
Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения этанола делают практически невозможным запуск на этаноле карбюраторных двигателей при температурах ниже минус 10С. Еще один недостаток — коррозионная активность этанола по отношению к уплотнительным резино-техническим материалам. Насыщаясь водой, этанол становится коррозионно агрессивным и по отношению к конструкционным материалам.
Для улучшения пусковых качеств этанола в него добавляют 4—6% изопентана или 6—8% диметилового эфира, что обеспечивает нормальный пуск двигателя при температуре окружающего воздуха до минус 25С. Для этой же цели двигатели оборудуют пусковыми подогревателями. При неустойчивой работе двигателя на повышенных нагрузках из-за высокой теплоты испарения спирта необходим дополнительный подогрев топливной смеси, например с помощью отработавших газов. Пусковые свойства этанола улучшаются при добавлении в него бензина.
В качестве альтернативного бензину топлива применяется также метанол, но в незначительном по сравнению с этанолом количестве.
Приведенные преимущества и недостатки этанола как моторного топлива полностью присущи метанолу. Дополнительным недостатком метанола является его высокая токсичность.
Недостатком моторных топлив на основе смесей бензина с метанолом или этанолом является вымывание спирта при контакте смешанного топлива с водой. Для стабилизации топлив эффективно применение эмульгаторов в качестве добавок к топливу Их обычно применяют в смеси с бензином в концентрации 2%. Среди добавок наиболее широко распространен метил-трет-бутиловый эфир.
Исторически, до недавнего времени самым активным сторонником биотоплива являлась Бразилия, уже много лет в большом количестве производящая этанол из сахарного тростника. Здесь спиртовое топливо для автомобилей начали использовать еще в 70-х годах прошлого века. Сейчас в Бразилии биоэтанол обеспечивает до 40% потребностей в топливе. В 2006 году Бразилия произвела 16 млн. тонн биоэтанола [1.22].
В Бразилии и других странах, где благоприятные природные условия (теплый солнечный климат) сочетаются с дешевизной земли и рабочей силы, конкурентный продукт можно производить и при умеренных (40 долларов и выше) ценах за баррель нефти. Местное биотопливо настолько конкурентно, что более 10% произведенных объемов экспортируется. В результате стоимость этилового спирта не превышает 19 центов за литр. Каждая вторая машина в Бразилии оснащена гибридным двигателем, который может работать как на бензине, так и на спирте.
Синтетические топлива из биосырья для поршневых двигателей с самовоспламенением от сжатия (дизелей)
Биодизельное топливо (биодизель) может производиться из более чем пятидесяти масличных культур. По элементному составу растительные масла близки между собой, а от нефтяного топлива отличаются присутствием кислорода. Недостатками растительных масел, как топлива, по сравнению с нефтяными топливами, являются их меньшая теплота сгорания (более чем на 10%), большая вязкость (в 6 и более раз), повышенная склонность к нагарообразованию, низкая испаряемость (табл. 1.7). Поэтому большинство современных дизельных двигателей могут работать на чистых растительных маслах лишь короткое время.
Одним из способов устранения указанных выше недостатков растительных масел является их химическая переработка -переэтерификация с получением, главным образом, метилового эфира жирных кислот (производство биодизельного топлива). Переэтерификация позволяет получать продукты со свойствами, полностью отличными от исходного сырья.
К основным преимуществам дизельного топлива из растительного сырья следует отнести [1.28]: - достаточно высокие цетановые числа (более 50 ед.) - снижение загрязнения окружающей среды экологически опасными веществами (применение дизельного топлива из растительного сырья способствует уменьшению выброса твердых частиц, адсорбирующих на себе канцерогенные вещества из продуктов сгорания); - низкую токсичность; - биоразлагаемость (при попадании на почву разлагаются с образованием безвредных продуктов в течение месяца); - высокую температуру вспышки, что повышает их пожаробезопасность; - высокие смазывающие свойства; - низкое содержание серы ( 10мг/кг); - отсутствие ароматических соединений; - возможность использовать растительные остатки и продукты переработки семян в качестве источника азотных, фосфорных и калийных удобрений. За счет этого поддерживается экологическое равновесие;
Топлива с содержанием эфиров растительных масел свыше 5% могут иметь следующие недостатки [1.28...]: - повышенные вязкость и температуру застывания; -ухудшение работы дизеля, обусловленное существенным изменением параметров рабочего процесса. Из-за повышенной плотности происходит увеличение дальнобойности топливного факела и размеров распрыскиваемых капель, что повышает долю пристеночного смесеобразования. Это приводит к изменению ранее подобранных оптимальных условий смесеобразования; - потерю мощности двигателя до 16%; - протечку топлива через уплотнители. - коррозию топливной аппаратуры; - засорение топливных фильтров; - образование нагара и схватывание колец: - сокращение межсервисного периода; - образование осадков в топливе; - сокращение сроков смены моторного масла в два раза: необходимость добавления антиокислительных присадок из-за нестабильности и склонности к разложению; - необходимость герметизации топливных баков из-за высокой гигроскопичности сложных эфиров растительных масел; - необходимость введения ингибиторов коррозии, деэмульгаторов и биоцидов, что приводит к дополнительному удорожанию топлив; - увеличение расхода топлива вследствие снижения теплоты сгорания.
В зависимости от климатических условий и возможности культивации той или иной масличной культуры, в европейских странах в производстве биодизеля ориентируются, главным образом, на использование рапсового (до 84% от используемых) и подсолнечного масел, в Бразилии и США - соевого, в странах Юго-Восточной Азии - пальмового.
Биодизельное топливо уже получило распространение во многих странах Европы. По желанию автовладельца на заправочных станциях биодизель могут заливать в бак автомобиля как в чистом виде, так и в качестве добавки (обычно 5 - 35%) к дизтопливу.
Смесь сложных метиловых эфиров, получаемых на базе рапсового масла, находит применение в качестве 100%-го дизельного топлива в тракторах сельскохозяйственного сектора Австрии. Во Франции в основном используют смесь нефтяного дизельного топлива с 5% сложных эфиров
Европейская комиссия в своем коммюнике предложила странам -членам ЕС к 2020 году заменить пятую часть нефти, которую потребляет транспортный сектор, альтернативными видами горючего. С 2009 года все страны объединенной Европы будут обязаны выпускать и потреблять биодизельное топливо [1.29].
В США метиловые эфиры на базе соевого масла используются либо как 100%-е топливо, либо в качестве 20%-й добавки к нефтяному [1.35].
В США, для производства биотоплив используют, в том числе, маслоотходы предприятий общественного питания (-11,4 тыс. м3/год). Важную роль здесь играют предприятия быстрого питания (fast food).
Применение биодизельных топлив становится экономически все более выгодным, особенно если учитывать налоговые льготы, предоставляемые правительствами разных стран. Так, в апреле 2003 г. Финансовый Комитет Сената США принял постановление о снижении акцизных ставок на 1 цент за каждый процент биодобавки в дизельное топливо (вплоть до 20%). В Германии биодизельное топливо не облагается экологическим налогом и налогом на нефтепродукты. Налоговые льготы появились и в Канаде. В Великобритании начали производство биодизельного топлива из использованного подсолнечного масла, что делает его на 20% дешевле, чем аналогичные нефтепродукты [1.34].
ЕС планирует понизить налогообложение чистых и смесевых биотоплив для возмещения разницы в ценах с нефтепродуктами. Поскольку стоимость биодизельного топлива примерно в 2 раза выше, чем нефтяного, необходимость субсидий будет сохраняться; это включает в себя освобождение от существующих акцизов, даже в случае увеличения объема рынка.
В настоящее время в России нет ни одного предприятия по производству биодизельного топлива, но имеются мощности и некоторый опыт в получении растительных масел, используемых как биодобавки. По мнению большинства экспертов, развитие производств биодизеля в России может идти по сценарию западноевропейских стран путем строительства заводов большой мощности.
Результаты исследований биотоплива после контакта с фильтрующими материалами топливных фильтров
В качестве испытуемого взят образец биотоплива, а для сравнения, стандартные реактивные топлива РТ и Т-6. Эксперименты проводились в ЦИАМ на установке У-404 [3.6].
Схема экспериментальной установки представлена на рис.3.1. Установка выполнена по схеме разомкнутого контура с проточным реактором, нагреваемым проходящим через него переменным током. Предварительно очищенное от механических примесей жидкое топливо из расходного бака (5) через сетчатый фильтр (4) с размером ячеек 16 мкм подается шестеренчатым насосом (2) типа 661Л в электронагреватель (15), где производился предварительный подогрев топлива. После этого топливо поступает в реактор (17), где происходил его нагрев до заданной температуры, и измеряются все параметры, необходимые для обработки результатов испытаний. Из реактора горячее топливо поступает в два последовательно соединенных водяных холодильника (18), где происходит охлаждение топлива до температуры 30-40С. Затем топливо направляется в топливо-газовый разделитель (20), где осуществляется разделение газовой и жидкой фаз, после чего производится отбор жидких и газообразных проб. Газообразные продукты превращения топлива удаляются в выхлопную трубу. Жидкое топливо сливается в приемный бак (23).
Для измерения расхода топлива используется штихпробер и турбинный датчик расхода типа ТДР (12). Для регулировки расхода и давления в топливную магистраль введена система перепуска топлива, включающая кран тонкой регулировки (11). Давление и перепады давления на входе и на выходе из реактора измеряются манометрами кл. 0,4 и дифманометром ДМ с вторичным прибором ДС1-01. В качестве реактора используются сменные трубки из различных материалов длиной 0,3-4,0 м и внутренним диаметром 1 мм, 2 мм, 3 мм и 10 мм.
При работе установки измеряется температура наружной поверхности горизонтально размещенного реактора (вдоль верхней образующей) посредством хромель-алюмелевых термопар, установленных равномерно по длине с шагом 50 мм. На отдельных трубках термопары устанавливались в два ряда по верхней и по нижней части трубки с одинаковым шагом по длине.
Температуры топлива на входе и выходе из электронагревателя, из реактора и холодильников определяются по показаниям хромель-копелевых и хромель-алюмелевых термопар.
Эксперименты проводятся следующим образом. Сначала топливо, после предварительной очистки от механических примесей на фильтрах 16 мкм, подвергается операции обескислороживания (если это необходимо по условиям эксперимента) посредством барботажа инертным газом (N2, Аг или Не) до снижения содержания растворенного кислорода 0,2% по объему. Содержание растворенного кислорода в топливе определяется после окончания процесса барботирования традиционными методами химического анализа.
Перед проведением серии основных экспериментов проводятся калибровочные опыты с нагревом «сухого» реактора - так называемая «сухая тарировка» для определения потерь от реактора в окружающую среду, опыты на холодном (Т = 20С) топливе для снятия «гидравлической характеристики» и с подогревом топлива только в электронагревателе, а также при небольших тепловых нагрузках в реакторе.
При запуске установки включают насос и электронагреватель и устанавливают заданные значения расхода, давления и температуры топлива на входе в реактор. Затем включается электрический ток на реакторе и происходит нагрев топлива до заданной температуры на выходе из реактора. После проведения необходимых измерений и записи всех параметров в протокол устанавливают новые значения рабочих параметров.
Закономерности образования кокса в трубках (испытания на ресурс) определяют при постоянных режимных параметрах фиксируются их через заданные промежутки времени (15 минут) с целью определения скорости роста температуры стенки реактора. Суммарное время эксперимента при этом составляет от 1 до 30 часов.
После испытания трубки разрезают на отдельные отрезки длиной по 50 мм, отложения фотографируют со 100— и 2000-кратным увеличением (для определения их толщины и шероховатости), а затем выжигают в потоке кислорода при температурах 850—950С с целью определения их массы и элементного состава.
Масса коксоотложений и их элементный и групповой составы определяют по методу микроэлементного анализа на специальной установке.
При проведении экспериментов величины расхода, давления и температуры на входе в трубу задавались, а тепловой поток изменялся ступенчато от нуля до предельно возможной величины. Наибольшее значение температуры стенки трубок достигало 800 и 900С (для стали 12Х18Н10Т и жаропрочного сплава ХН60ВТ), соответственно.
После реактора топливо (и продукты его термокрекинга) поступали в последовательно расположенные водяные холодильники, где происходило интенсивное охлаждение до температуры 30-40С. Затем топливо поступало в топливо-газовый отделитель, где происходило разделение жидкой и газовой фаз, с последующим отбором проб для анализа жидкой фазы на содержание непредельных соединений (по ГОСТ 2070-82) и фактических смол (по ГОСТ 1587-56), а также состава газовой фазы (по методу газоадсорбционной хроматографии с использованием хроматографа ЛХМ-8МД), в совокупности характеризующих глубину термодеструкции топлива. В качестве реактора использовались сменные цельнотянутые трубки, выполненные из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, сплава ХН60ВТ и меди № 1 (в стальной оболочке) длиной 1 м с внутренним диаметром 1, 2, 4, 6 и 10 мм.
При работе установки измерялась температура наружной поверхности реактора (вдоль верхней образующей) посредством ХА-термопар, установленных в 30 сечениях по длине, причем в четырех сечениях (x/d =20, 200, 500, 750) были дополнительно установлены три термопары для оценки неравномерности нагрева по периметру реактора.
Температура топлива на входе и выходе из электронагревателя, реактора и холодильников определялась по показателям ХК- термопар. Горячий спай термопары на выходе из реактора располагался на оси потока за смесителем, состоящим из набора специальных диафрагм. В качестве
вторичных приборов использовались потенциометры ЭПР-09-МЗ и ПП-63. Давления и перепады давления на входе и выходе из реактора измерялись образцовыми манометрами класса 0,4 и дифманометром ДО 1-01. Давление топлива на входе в реактор варьировалось от 0,3 до 8,0 МПа (величина критического давления топлива - 2,2 МПа). Измерение расхода топлива осуществлялось с помощью штрихпробера и турбинного расходомера типа ДР1-141. Для регулировки расхода и давления топлива в топливную магистраль введена система перепуска топлива, включающая краны тонкой регулировки дистанционного управления и водяной холодильник.
Локальные значения плотности теплового потока на внутренней поверхности реактора определялись по силе тока и локальным значениям электрического сопротивления реактора, с учетом тепловых потерь путем лучеиспускания, естественной конвекции и продольных перетоков тепла. Зависимость электросопротивления реактора от температуры была определена путем предварительной калибровки . Температура внутренней поверхности реактора находилась из решения уравнения теплопроводности с источником при известной температуре наружной поверхности.
При исследовании теплоотдачи к топливам в условиях термораспада большое внимание было уделено вопросу надежного экспериментального определения среднемассовой температуры продуктов термодеструкции. Для измерения локальных значений среднемассовой температуры использован предложенный B.C. Петуховым с сотр. метод секционного обогрева реактора. Согласно этому методу проводятся несколько опытов с разными длинами обогрева, но с одинаковыми значениями силы тока, а также расхода, давления и температуры топлива на входе в обогреваемую часть. В первом, основном, опыте определяются локальные значения плотности теплового потока на стенке, распределение температуры стенки по длине, а также среднемассовая температура на входе и на выходе из обогреваемой части.
В каждом из последующих дополнительных опытов длина обогреваемой части реактора последовательно уменьшается. Величины среднемассовой температуры продуктов термодеструкции топлива на выходе, измеряемые в дополнительных опытах, являются для основного опыта промежуточными по длине значениями среднемассовой температуры. Имея значения среднемассовой температуры на входе, на выходе и в нескольких промежуточных сечениях, можно определить изменение среднемассовой температуры по длине реактора.
Интенсификация теплоотдачи и подавление коксоотложении при течении биотоплив в каналах
Теплообменник-реактор (ТР) предназначен для газификации углеводородных биотоплив за счет тепла горячих газов.
Главной проблемой при высокотемпературном нагреве углеводородных биотоплив является образование кокса. При этом образование кокса при различных температурах происходит в силу различных механизмов.
При высоких температурах (свыше 500-550С) кокс образуется в процессе термической деструкции исходного топлива.
Принят подход к проектированию, при котором нагрев топлива в области температур начала термодеструкции проводится так, чтобы реализовывалось химически "замороженное" течение топлива (минимальное время пребывания). Разложение топлива (за счет накопленного тепла) происходит в адиабатических условиях в отводящих трубопроводах большого диаметра.
При температурах, соответствующих жидкофазному состоянию топлива, кокс образуется в силу окисления топлива присутствующим в нем растворенным кислородом и различного рода примесей (превышение температуры термической стабильности топлива). Для предотвращения закоксовывания ТР предусматривается перепуск нагреваемого топлива через специальное устройство (фильтр).
При проектировании ТР учитывалось, что изготавливается опытный образец, предназначенный для исследований, в том числе, самого процесса газификации топлива. Поэтому было принято решение о создании максимально возможно разборной модульной конструкциЬиОдним из ограничений при выборе геометрии ТГ является требование по его размещению на установке, вид которой представлен на рис. 5.1. Для размещения ТР по ходу греющего газа отводится 600 мм, причем внутренний диаметр подводящих и отводящих фланцев составляет около 100 мм. Как видно из рис.5.1, для размещения ТР отведен достаточно ограниченный объем, что при ограничении относительных потерь давления по греющему газу значением dPg = 6% и расходе Gg =1,4 кг/с создает достаточно жесткие условия для проектирования теплообменника-реактора. Другим лимитирующим фактором на этапе разработки экспериментального образца является требование модульности конструкции. Модульность необходима, с одной стороны, для проведения экспериментальных исследований по газификации топлива (возможность замены модулей, переключения соответствующих модулей на фильтр, для перепуска топлива на режиме запуска при необходимости и т.д.), с другой стороны, повышает технологичность изготовления, обеспечивает компенсацию температурных расширений конструкции и повышает эксплуатационные характеристики ТР. На рис. 5.2 представлены данные для применения ТР, на основе которых выбраны данные для проектирования с учетом указанных выше ограничений по габаритам.
Из нескольких вариантов схемных решений по размещению ТР на установке (с поворотом потока греющего газа и прямым движением) выбран вариант, когда греющий газ не меняет направления движения. В этом случае можно обеспечить достаточно равномерное поле температур и скоростей на входе в ТР при заданных потерях давления по греющему газу и условиям размещения.
Из анализа результатов предварительных расчетов получено, что необходимо проектировать теплообменник-реактор на следующие параметры теплоносителей из диапазона значений, представленных на рис.5.2: по греющему газу - расход Gg =1,4 кг/с, - температура на входе Tgj =750С, - давление на входе Pgj =7 кГ/см2, - относительные потери давления dPg= 6%; по топливу - расход Gc = 0,07 кг/с (250 кг/ч), - температура на входе Тс; =150С, - температура на выходе Тсе = 600С, - давление на входе PCj =50 кГ/см2. Рассматривается трубчатый перекрестноточный теплообменник модульной конструкции с коридорным расположением труб. Расчетная схема течения теплоносителей представлена нарис. 5.3.
Основные требования, предъявляемые к теплообменнику-реактору -достижение достаточно высокой степени нагрева топлива с целью испарения топлива при минимальном времени пребывания в зоне нагрева для обеспечения минимального уровня коксоотложений на стенках труб, а также обеспечение устойчивой работы во всем диапазоне изменения режимных параметров. Кроме того, ТР должен быть работоспособен в течение назначенного времени эксплуатации, иметь приемлемые массогабаритные показатели при ограниченных потерях давления по греющему газу.
Расчеты ТР проведены для случая достижения степени нагрева топлива Ттк равной Ттк = 600...610С. Изменением параметров греющего газа (температуры и расхода) относительно расчетного режима можно регулировать подогрев топлива.
Оптимизируемыми параметрами ТР являются: массогабаритные показатели, потери давления по теплоносителям, время пребывания, а также скорость коксообразования. В качестве показателя массы рассматривалась суммарная масса трубок ТР.
Основным габаритным ограничением является длина ТР по ходу греющего газа lg = 600мм при диаметре внутренних отверстий стыковочных фланцев 100 мм. В этих условиях для обеспечения равномерности подачи и отвода греющего газа в ТР, его безотрывного расширения и сужения, снижения потерь давления на расширение и сужение необходимо либо выдержать практически неизменной площадь фронтального сечения по газу,
либо в случае ее увеличения установить диффузор и конфузор с либо в случае ее увеличения установить диффузор и конфузор с приемлемыми углами расширения и сужения. Очевидно, что во втором случае необходимо, чтобы фронтальное сечение по газу было как можно ближе к квадрату.
