Введение к работе
Актуальность проблемы. Сжигание углеводородного топлива в камере сгора-ш (КС) энергоустановки с целью преобразования в механическую либо в электриче-ую работу запасенной в нем внутренней энергии сопровождается выбросами в атмо-)фугшанетьігазообразньгхвредньгхвеществ (ГВВ), т. е.СО, NOx иСхНу, и твер-
,гх частиц (ТЧ), в том числе и сажи.
В настоящее время они достигли огромных масштабов. Только автотранспорт-,іми средствами, в которых реализуются высокотемпературные процессы сжигания леводородного топлива, в атмосферу планеты ежегодно выбрасывается 300 млн. т. 0,60 млн. т. СхНу и 30 млн. т. NOx. Если же учесть деятельность станций по испы-
нию воздушно-реактивных двигателей (ВРД) и ракетных двигателей (РД), тепловых екгрических станций (ГЭС), предприятий черной и цветной металлургии, химической омышленности и др. экологически опасных объектов, то эти выбросы возрастут еще льше.
Актуальность данной проблемы возрастает в связи с тем, что выбросы вредных ществ (ВВ) причиняют большой вред не только среде обитания человека, но и самому ловеку.
Поэтому создание экологически чистых энергоустановок, обеспечивающих су-хтвенное снижение эмиссии ВВ (ГВВ+ТЧ), представляет важную народнохозяйст-нную задачу.
Задачи исследования. Стартовые площадки ракет и аэродромы базирования «олетов, обычно, находятся вдали от городов и жилых массивов. Поэтому при поле-к ракет и самолетов незначительному вредному воздействию подвергается, в основ-м, обслуживающий персонал и озоновый слой Земли. Причем, если взять самолеты, основными режимами работы авиационного двигателя в районе расположения аэро-рта при рулении и посадке являются режимы малого газа, на которых наблюдается значительная эмиссия ВВ, а номинальный режим при взлете составляет в среднем ОД от общего времени работы двигателя.
Доводка и исследование характеристик двигателей ЛА осуществляется на ис-ггательных станциях, которые, как правило, располагаются в черте городов. Причем новными режимами в течении всего времени доводки и исследования двигателей
являются номинальные режимы, на которых имеют место максимальные выбросы В1 Часто одновременно испытываются несколько двигателей. Учитывая большие расход продуктов сгорания (ПС) двигателей ЛА, испьпательные станции становятся мощньт локальными источниками ВВ и их ПС представляют значительную опасность для прі летающих жилых массивов.
Создание экологически чистых двигателей ЛА представляет собой гораздо б лее трудную задачу по сравнению с задачей создания экологически чистых стадиона; ных энергоустановок. Это связано, в основном, с двумя факторами:
большими скоростями истечения ПС;
широким диапазоном изменения температуры ПС на выходе из двигателя. Первый фактор не позволяет успешно применять в двигателях ЛА известнь
каталитические способы очистки газов от ВВ, а второй фактор - известные бескатал] тические способы очистки с применением химически активных веществ (ХАВ), т. і они являются одаорежимными по температуре ПС и, кроме того, требуют своей тран портировки на ЛА.
В связи с широким внедрением в народном хозяйстве двигателей ЛА и с у» личением в несколько десятков раз их ресурса работы существенно возрос от нг удельный объем выбросов ВВ в общем объеме выбросов ВВ в окружающую среду ( энергоустановок различных типов. Например, ГТУ стали применяться для перекачк природного газа, для привода электрогенератора в ТЭС, в качестве силовой установки большегрузных самосвалах. Кроме того, для обезвреживания запасов удобрений сельском хозяйстве и уничтожения запасов химических отравляющих веществ стал 'применяться РД
Одновременно возросла актуальность создания экологически чистых двигал лей ЛА, что требует пересмотра существующих способов очистки ПС и нетрадициоі ных подходов при разработке новых. Это касается также и очистки ПС от ТЧ, т. к. прі менение обычных механических фильтров при высоких скоростях истечения ПС пр* вело бы к недопустимому росту гидравлического сопротивления выхлопного тракі либо при снижении скорости истечения до приемлемых значений - к недопустимом росту их габаритных размеров.
Поэтому первая основная задача исследования состоит в разработке эффеу тивных способов, которые обеспечивают надежную очистку ПС от ВВ как внутр самого двигателя, так и в струе ПС в широком диапазоне изменения скорости ;
пемпературыПС.
Способы, разработанные для двигателей ЛА практически без каких-либо дора-оток, могут быть легко использованы доя снижения эмиссии ВВ на речном, автомо-ильном и железнодорожном транспорте, а также в различных стационарных дизель-ых энергоустановках, т. к. условия их применения будут более благоприятными.
Важным этапом в проектировании и доводке экологически чистых двигателей [А является выполнение расчетов с целью определения их газо-термодинамических и кологических характеристик.
Экологические характеристики двигателей позволяют установить места наибо-ее интенсивного образования ВВ по длине высокотемпературного тракта, принять рограмму борьбы с эмиссией ВВ и выбрать наиболее подходящие способы очистки [СотэтихВВ.
Определение экологических характеристик сводится к расчету турбулентных їчений реагирующих газов в элементах двигателя.
При математическом моделировании турбулентных течений реагирующих гага с целью определения экологических характеристик принято считать, что основными акторами, влияющими на эмиссию ГВВ, являются, кроме геометрии расчетной облас-I, газовая динамика, турбулентность и химическая кинетика
В настоящее время разработаны математические модели, позволяющие коректно рассчитать турбулентное течение газа. Получены надежные кинетические меха-омы, позволяющие достоверно рассчитать не только процесс выделения тепла при ірении топлив, но и определить детальные составы ПС, следовательно, достоверно тределить эмиссию ВВ.
Несмотря на постоянный рост быстродействия ЭВМ решение систем диффе-нциальных уравнений, детально моделирующих все три фактора, представляет боль-ие вычислительные трудности. Поэтому различными авторами были разработаны шее упрощенные модели движения газов, турбулентности и химической кинетики, хгорые не могут быть использованы при расчете экологических характеристик. Из илиза известных теоретических результатов было установлено, что при численном шении систем уравнений, моделирующих турбулентные течения реагирующих газов їй больших числах Рейнольдса, используя полные механизмы ХР, с помощью МКР не ідлось преодолеть трудности для всех без исключения разностных схем, связанные с утерей вычислительной устойчивости при значительном измельчении сеток.
Именно в такой постановке приходится решать задачи о турбулентном течени реагирующих газов при определении экологических характеристик двигателей ЛА.
В связи с этим можно сформулировать вторую основную задачу исследові ния, которая составляет теоретическую часть диссертации.
Доработать метод Галеркина решения краевых задач для дшрференциалъпъ уравненш в частных производных, моделирующих турбулентные течения реагируїі щих газов, с цглъю увеличения его сходимости и вычислительной устойчивости пр любом измельчении сеток. Повысить с его помощью достоверность и экономичное» расчета экологических характеристик двигателей ЛА
Поставленная задача была решена путем использования сходящихся тритоне метрических рядов Фурье (ТРФ) в качестве искомых приближенных решений краевы задач.
Преимущества улучшенного спектрального метода (УСМ) подтверждаютс результатами сравнений рассчитанных экологических характеристик с помощью пре; ложенного метода и МКР с экспериментально измеренными экологическими харакп ристиками при решении различных прикладных задач применительно к двигателя; ЛА. Выбор прикладных задач был сделан так, чтобы охватить все элемент двигателе ЛА и различные классы течений: дозвуковые и сверхзвуковые, безвихревые и вязкие различные типы струйных течений. В этих задач были изучены различные по сложж ста модели химической кинетики: от глобальной модели до моделей, в которых исполі зуются полные кинетические механизмы реакций.
Логическим завершением первых двух основных задач исследования маки считать третью основную задачу исследования, заключающуюся в создании опыт ных образцов устройств очистки, в которых были бы реализованы новые способы очі стки газов.
В качестве таких устройств могут служить опытные образцы сажевых филы ров-нейтрализаторов (СФН) и нейтрализаторов (Н) для автотранспорта.
Выбор СФН и Н был продиктован тем, что автотранспорт в настоящее врем является основным источником выбросов в атмосферу ВВ, которые составляют эколс гическую проблему крупных городов.
Научная новизна полученных результатов. В области численных методо решения краевых задач научная новизна УСМ состоит в том, что из анализа сходимост ТРФ получены новые данные о свойствах этих радов. В частности, установлено чнс
іенно, что существует оптимальное значение степени ТРФ, выше которого этот ТРФ іасходится. Предложены эмпирические формулы для нахождения оптимального значе-ия обычного ТРФ и методы построения сходящихся и равномерно сходящихся ТРФ, [спользование которых при построении приближенных решений краевых задач обес-іечивает заявленные преимущества УСМ по сравнению с МКР в точности и экономич-юсти.
В области очистки ОГ энергоустановок от ВВ научная новизна предложенных пособов очистки состоит:
в применении дополнительных химически активных веществ (ХАВ) для под-тройки оптимальной температуры основных ХАВ под действительную температуру )Г, что обеспечивает максимальную эффективность очистки ОГ от ВВ при существен-ом изменении температуры ОГ;
в разделении процессов предварительной диссоциации ХАВ и конверсии УОхв пространстве и во времени, что позволяет осуществить реакции конверсии 40х при более низких температурах ОГ;
в применении карбонилов для получения летящего катализатора, с помощью эторого достигается высокая эффективность очистки высокоскоростных потоков ОГ, апример ПС двигателей ЛА;
в применении водорода для очистки ОГ от сажи путем его ввода в поток ОГ а выходе из энергоустановки, не вмешиваясь в трудно организуемый процесс сжига-ия топлива в ее КС. Такой способ обеспечивает надежную очистку ОГ от сажи в тех тучаях, когда применение механических фильтров невозможно либо из конструктив-да соображений, либо из требований недопустимого роста гидравлического сопротив-:ния потока ОГ.
Новизна предложенных способов очистки подтверждена также 11-ю патента-н Российской Федерации и 1-м авторских свидетельством СССР на изобретения. В опытных образцах СФН научная новизна состоит в том, что
разработан и внедрен новый тип фильтрующего материала - пористые ме-ллы с управляемой по толщине материала пористостью и проницаемостью, что по-оляет получить его заданные гидравлические характеристики;
разработана и внедрена новая технология регенерации ФЭ, построенная од-шременно по перепаду давления и перепаду температуры ОГ на ФЭ при поддержании
заданной температуры материала ФЭ, которая в отличие от известных технологий, пс строенных только по перепаду давления, позволяет обеспечить надежную регенерациі ФЭ и экономичность процесса регенерации;
разработан новый тип ФЭ с петлевым движением в нем ОГ, который сокраиц ет время регенерации и увеличивает ресурс работы СФН минимум в 2 раза;
разработан карбюратор предварительной подготовки смеси топлива и воздух; в котором реализован новый способ смешения жидкости и газа.
В опытных образцах Н с ускоренным разогревом катализатора научная новизи состоит в том, что, кроме существенного снижения выбросов ВВ в окружающую ва душную среду за счет расширения режимов работы Н, удалось повысить экономи1 ность процесса очистки в первом образце за счет экономии потребной мощности н привод компрессора для подачи дополнительного воздуха, а во втором—за счет эконс мии дополнительного топлива, идущего на нагрев катализатора.
Практическая значимость работы. Применение УСМ к расчету экологичс ских характеристик позволяет не только ускорить проектирование новых экологическ чистых энергоустановок, но и доработать существующие энергоустановки, не отш чающие требованиям на выбросы вредных веществ в окружающую среду. С помощы этих характеристик может бьпъ также изучена экономическая целесообразность и коь струкгавная возможность борьбы с эмиссией ВВ в КС или в выхлопном тракте энергс установки, а также выбраны наиболее эффективные и, по возможности, наиболее прс сто реализуемые способы очистки газов.
Предложенные способы очистки газов по сравнению с известными способам обеспечивают высокую эффективность очистки в широком диапазоне изменения тем псратуры ПС и в области низких температур, что позволяет снизить экономические зг траты на очистку ПС.
Следует подчеркнуть, что разработанные способы очистки могут применяться н только в энергоустановках авиационно-космического типа, для которых характерні большие скорости движения газа, но и во многих других энергоустановках, в том числ стационарных, с малыми скоростями истечения ПС: дизелях, котлах ТЭС и т. д.
Реализация СФН и Н на автотранспорте позволила бы кардинальным образог изменить в лучшую сторону критическое экологическое состояние воздушного бассеР на крупных городов России и существенно приблизить решение этой важной народне хозяйственной задачи.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждены и опубликованы в материалах:
Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы двигателей и энергетических устаноюк летательных аппаратов» (Москва, МАИ, 1976 г.);
Всесоюзной межвузовской конференции «Газотурбинные и комбинированные установки», 2 доклада (Москва, МВТУ, 1983 г.);
8-ых научных чтений, посвященных разработке научного наследия и развитию ідей Ф. А. Цандера. (Харьков, ХАИ, 1983 г.);
Межвузовской конференции «Математические проблемы аэрогидродинами-си» (Москва, МАИ, 1989 г.); »
Всесоюзной конференции «Математическое моделирование и экспериментальные исследования физико-химических процессов в сплошных средах» (Пес. Рыба-гий Крымской обл., 1989 г.);
П Республиканской конференции «Совершенствование теории и техники теп-ювой защиты энергетических устройств» (Житомир, 1990 г.);
Всесоюзной конференции «Автомобильные двигатели» (Москва, МАДИ, 1990 г.).
Диссертация также апробировалась на научном семинаре кафедры «Теория
5РД» при Московском Государственном авиационном институте (Техническом уни-ерситете), которым руководит член-корреспондент Академии Космонавтики, д. т. н, ірофессор Рутовский В. Б., с участием ведущих специалистов авиационной промыш-[ЄНН0СТИ 29 октября 1997 г.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 48-ми опублико-анных работах соискателя, из которых 19 работ опубликованы в центральных научных [зданиях.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 385-ти страницах ипографского текста. В том числе, оглавление - на 4-х страницах. Список литературы, в оторый включены 460 публикаций отечественных и зарубежных авторов, в том числе 62 издания на иностранных языках, изложен на 21-ой странице. Диссертация состоит з введения, одной обзорной главы, которая завершается постановкой задач исследова-ия, четырех глав собственных исследований, выводов и рекомендаций. Работа иллю-грирована 103-мярисунками,21-ойтаблицейи 14-ю фото.
Похожие диссертации на Методы исследования и способы уменьшения концентраций вредных веществ в продуктах сгорания двигателей летательных аппаратов и их реализация в устройствах очистки при защите атмосферы
