Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ установок на основе аппаратов пульсирующего горения и анализ выбросов загрязняющих веществ по литературным источникам 8
1.1. Аппараты пульсирующего горения 8
1.2. Процесс сжигания топлив 20
1.3. Процессы образования оксидов азота 28
1.3.1. Условия образования «термических» оксидов азота 30
1.3.2. Образование «быстрых» оксидов азота 33
1.3.3. Образование «топливных» оксидов азота 34
1.3.4. Образование N0 из закиси азота 36
Глава 2. Зависимость термодинамических параметров продуктов сгорания водорода и метана в воздухе от коэффициента избытка окислителя 39
2.1. Расчет температуры горения водорода в воздухе при стехиометрическом соотношении компонентов 39
2.2. Расчет температуры горения водорода в воздухе при условии обогащенной смеси (а < 1) 42
2.3. Расчет температуры горения водорода в воздухе при условии обедненной смеси (а > 1) 44
2.4. Расчет температуры горения метана в воздухе при а > 1 45
2.5. Расчет температуры горения метана в воздухе при а < 1 47
2.6. Теплофизические свойства участвующих в горении веществ 48
2.7. Результаты расчетов термодинамических параметров продуктов сгорания водорода и метана в воздухе 53
Глава 3. Расчет выхода оксидов азота при горении водорода и метана в воздухе 61
3.1. «Термические» оксиды азота 61
3.2. «Быстрые» оксиды азота 77
3.3. Образование NO из закиси азота 81
3.4. «Топливные» оксиды азота 81
Глава 4. Модель влияния колебательного процесса на параметры в камере сгорания АПГ с аэродинамическим клапаном 83
Глава 5. Расчет образования оксидов азота в АПГ с аэродинамическим клапаном 90
5.1. Расчет геометрии аппаратов пульсирующего горения 90
5.2. Расчет параметров аппаратов пульсирующего горения, с водородом, метаном и дизельным топливом в качестве горючего 94
Основные результаты и выводы 109
Список использованной литературы 111
- Процесс сжигания топлив
- Расчет температуры горения водорода в воздухе при условии обогащенной смеси (а < 1)
- «Быстрые» оксиды азота
- Модель влияния колебательного процесса на параметры в камере сгорания АПГ с аэродинамическим клапаном
Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие теплогенерирующих устройств, в которых реализуется стационарный процесс горения, достигло своего совершенства в том смысле, что улучшение их стоимостных и массогабаритных характеристик достигло стадии насыщения. Однако стоит отметить, что радикальное улучшение экологических показателей чрезвычайно затруднительно и ведет к значительному удорожанию таких устройств, либо достигается путем уменьшения нагрузки на горелочное устройство. Перспективным направлением является использование в теплогенерирующих установках процессов пульсирующего горения, реализуемых в аппаратах пульсирующего горения (АПГ). В частности, возможно использование АПГ с применением водорода или метана в качестве топлива. Такой подход позволит обеспечить максимальную полноту сгорания топлива и существенно снизить количество вредных выбросов.
Однако в литературе приводятся только экспериментальные данные по результатам измерения выбросов вредных веществ в окружающую среду в процессе сгорания топлива в АПГ. Большое внимание уделяется выбросам оксидов азота, так как они являются, по предположению многих авторов, причиной образования озоновых дыр. Попытке теоретической оценки экологичности аппаратов пульсирующего горения на основе изучения выхода оксидов азота с продуктами сгорания топлива посвящена данная работа.
Диссертационная работа выполнялась в рамках научного направления «Физико-технические проблемы энергетики и экологии», темы ГБ07.35 (№ государственной регистрации 01.2.00707556) ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является изучение влияния процесса пульсации в камерах сгорания АПГ с аэродинамическим клапаном на экологи-
5 ческие характеристики продуктов сгорания при горении водорода и углеводородных топлив в воздухе.
Для достижения сформулированной цели поставлены следующие задачи исследования:
разработка методики расчета термодинамических параметров продуктов сгорания в зависимости от коэффициента избытка воздуха;
разработка методики расчета содержания оксидов азота в продуктах сгорания водорода и углеводородных топлив в воздухе;
математическое моделирование нестационарных процессов в камере сгорания АПГ и влияния колебательных процессов в камере сгорания на образование оксидов азота при горении водорода, углеводородных топлив;
разработка методики расчета выбросов оксидов азота и оценка эко-логичности АПГ.
Научная новизна.
В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
методика и алгоритм расчета выхода оксидов азота в АПГ с аэродинамическим клапаном, отличающиеся учетом неравновесности процессов и позволяющие оценить их экологические характеристики;
аппроксимационные полиномы термодинамических параметров продуктов сгорания водорода, метана и дизельного топлива в воздухе, отличающиеся учетом широкого спектра экспериментальных данных;
теоретические результаты по выходу оксидов азота, отличающиеся учетом влияния колебательных процессов и характеризующиеся высокой точностью совпадения с экспериментальными результатами других авторов;
расчет геометрии АПГ, отличающийся использованием в них водорода и метана в качестве топлива.
Практическая значимость работы.
Предложенная в работе методика расчетов теоретической концентрации оксида азота в продуктах сгорания водорода, метана и дизельного топлива в воздухе позволяет оценить экологичность как имеющихся аппаратов, так и аппаратов пульсирующего горения на стадии проектирования. Полученные результаты позволяют оценить влияние геометрических параметров на загрязнение окружающей среды.
Достоверность и обоснованность.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных методов исследования процессов горения и тепломассопереноса, сопоставлением результатов физического и математического моделирования, подтверждается удовлетворительным согласованием полученных зависимостей и расчетных значений с экспериментальными данными и результатами других авторов.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: Научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергосбережения» (Воронеж, 2005); Международной конференции «Проблемы экологии: наука, промышленность, образование» (Белгород, 2006); IV научно-технической конференции «Компьютерные технологии автоматизированного проектирования систем машиностроения и аэрокосмической техники» (Воронеж, 2007); IX международной научно-технической конференции «Авиакосмические технологии «АКТ-2008» (Воронеж, 2008).
Публикации.
Результаты диссертационного исследования опубликованы в 9 работах: из них 3 статьи в изданиях перечня ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежат следующие результаты: [1, 4, 5, 6, 7]
7 - разработка и анализ схем применения аппаратов пульсирующего горения, [2, 9] - разработка методики расчета термодинамических параметров продуктов сгорания водорода и метана, [3, 8] — разработка механизма и анализа влияния процессов пульсации на выход оксидов азота.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, с основными результатами и выводами, изложенными на 114 страницах, списка использованной литературы
ИЗ 107 Наименований, ПрИЛОЖеНИЙ, СОДерЖИТ 65 рИСунКОВ и ІЗ таблиц.
Процесс сжигания топлив
Горение используется человеком на протяжении более миллиона лет и является одной из древнейших технологий. В настоящее время около 90% всей энергии, потребляемой нашей цивилизацией, обеспечивается за счет процессов горения.
Проблемы влияния энергетики на окружающую среду приобретают всё большее значение в последнее время. Особенно остро стоит вопрос о загрязнении окружающей среды различными отходами предприятий и транспорта. Анализ результатов по изменению экологической обстановки в мире, полученных к настоящему времени, показывает ряд тенденций. В частности, на протяжении последних 200 лет содержание углекислого газа (СО2) в атмосфере Земли постоянно растёт: с 280 ррт (объемных частей на миллион) до 370 ррш на сегодняшний день. Прогнозы роста содержания СОг дают оценочно 1,5 ppm/год. По одной из версий, следствием этого процесса является увеличение средней тем 21 пературы поверхности Земли на 0,5С за последние 100 лет, что способно привести к катастрофическим для нашей планеты последствиям, в частности, повышению уровня Мирового океана и затоплению многих территорий. Однако, хотя эта гипотеза и разделяется большинством учёных во всём мире, считать её доказанной на данный момент нельзя.
Внимание проблема вредных выбросов и, как следствие, глобального потепления, привлекла в середине XX века. В 1992 г. на Всемирном совещании по проблемам окружающей среды в Рио-де-Жанейро была принята рамочная конвенция об изменении климата, подписанная представителями 180 государств. Встреча в Киото в декабре 1997г. продолжила процесс, начатый в Рио, и закончилась подписанием Киотского протокола, направленного на сокращение вредных выбросов в атмосферу. Присоединение России к Киотскому протоколу -подтверждение того, что и наша страна озабочена экологической проблемой. Сохранение текущего количества эмиссии вредных выбросов, в частности оксидов азота, может привести к катастрофическим последствиям для здоровья нации. Другой причиной для активного развития технологий по снижению вредных выбросов атмосферу (по сравнению с существующими в настоящий момент) является возможность извлечения Россией прибыли из вышеупомянутого протокола за счёт продажи квот другим, менее развитым странам.
Помимо изменения климата, выбросы транспорта и предприятий таят в себе опасность и для здоровья населения. Воздействие трёх наиболее распространённых загрязнителей - взвешенных веществ, оксидов серы и оксидов азота - на увеличение смертности населения описано в зарубежных изданиях по эпидемиологии. Повышенный уровень смертности от заболеваний органов дыхания зафиксирован в Лондоне, Афинах, Лионе - городах с высоким уровнем содержания взвешенных веществ.
Экологическая ситуация в Москве также достаточно напряжённая. Здесь, согласно информации департамента природопользования и охраны окружающей среды столицы, ежегодно в воздух выбрасывается более 1 млн. тонн за 22 грязняющих веществ. Основную часть выбросов - 83% составляют выхлопы автотранспортных средств, оставшееся количество выбросов приходится на стационарные источники - промышленность и топливно-энергетический комплекс. По данным департамента, в настоящее время автомобильный парк столицы насчитывает более 3 млн. единиц, на территории города расположено более 2,5 тыс. автопредприятий, которые являются источниками загрязнения воздуха. Таким образом, защита атмосферного воздуха от загрязнения является одной из наиболее острых проблем современности. Развитие энергетики и промышленности неизбежно сопровождается увеличением потребления топлива, обрабатываемых материалов и ростом количества образующихся токсичных веществ. Во второй половине XX века проблема защиты окружающей человека среды от зафязнения приобрела огромное значение для всех высокоразвитых государств. Несмотря на то, что на долю природных источников загрязнения воздуха приходится свыше 50 % соединений серы, 93 % оксидов азота, значительная доля оксида углерода и ряд других загрязнителей, все же наибольшую опасность создают искусственные источники загрязнения воздуха, связанные с деятельности человека, в первую очередь процессы сжигания топлив. В отличие от природных, искусственные источники загрязнения отличаются крайней неравномерностью распределения. Отметим, например, что на Северное полушарие приходится 95 % выбросов оксидов азота и 93 % сернистого ангидрида, поступающих от промышленных источников. Еще более значительная неравномерность распределения концентрации загрязнителей отмечается между сельскими и городскими местностями. Большим городам обычно соответствует более высокое содержание загрязнителей в атмосферном воздухе.
Для атмосферного воздуха основное значение имеют максимальная разовая и среднесуточная предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных ве 23 ществ в атмосферном воздухе населенных пунктов. Максимальная разовая ПДК вещества в атмосферном воздухе определяется как максимальная концентрация, неощутимая для рефлекторных систем человека.
Расчет температуры горения водорода в воздухе при условии обогащенной смеси (а < 1)
Для случая, когда а 1 в продуктах сгорания будет содержаться избыточный кислород, который не вступил в реакцию с водородом и выбрасывается вместе с продуктами сгорания, химическую реакцию можно представить в следующем виде: Н2 + 02 + N2 = Н20 + N2 + Он2есгор, (2.24) уравнение теплового баланса g,V=Uo -Cf +&, - +gr"-C?) . (2-25) По аналогии с выражениями (2.14) + (2.20) записываем соотношения расходов компонентов горения: У v Овозд /to Л0 н2 Овозд "vUOOtf, »2 Овозд 6 02 6 N2 . gQ2 = 0,232 -geo3d= 0,232 -a -z0-g«2. g„2 - 0,768 ge03d = 0,768 -a-z0 gH2, — H20 _ Q MH2 Исходя из уравнения (2.24) получаем выражения для сгоревшего и несго-ревшего количества кислорода. 5о2 ьн2 9 6Я2, и gar = So2 - So! = 0,232 a Zo gHj 8 gHi = (0,232 a Zo - 8) .
Для расчета необходимо иметь зависимость удельной изобарной теплоемкости компонентов от температуры. Эти данные получены на основе таблиц, приведенных в работе [55]. Так как, при горении метана и водорода в воздухе температура сгорания не достигает 3000 К, в расчетах учитывалась только диссоциацию воды. На основе этих таблиц были построены графики зависимостей удельных изобарных теплоємкостей веществ от температуры, которые представлены на рис. 2.1 - 2.6.
С помощью электронных таблиц Excel MS Office, были получены аппрок-симационные полиномы этих зависимостей, которые были использованы для итерационных расчетов температуры продуктов сгорания водорода и метана. При этом величина достоверности аппроксимации была в пределах 0,97-0,99. Таким образом, можно считать точность полученных аппроксимационных полиномов пригодной для проведения расчетов по определению удельных изобарных теплоємкостей компонентов топлива от температуры. Уравнения аппроксимации собраны и приведены в таблице 2.1 и могут быть полезны при различных термодинамических расчетах.
Так как одними из важнейших характеристик для вибрационного горения являются работоспособность, плотность и скорость звука в продуктах сгорания, то был выполнен расчет этих параметров продуктов горения метана и водорода при различных значениях коэффициента избытка окислителя.
Для получения зависимости RT (работоспособность) от коэффициента избытка окислителя необходимо найти зависимость среднего молекулярного веса продуктов сгорания (цпс) т а, так как R=Ro/jinc. [53], где Ro - универсальная газовая постоянная.
На основании математической обработки результатов расчетов основных термодинамических характеристик продуктов сгорания водорода и метана в воздухе, получены аппроксимационные полиномы.
Таким образом, был произведен термодинамический расчет продуктов сгорания водорода и метана в воздухе. На основе полученных данных были построены графики зависимостей температуры сгорания от коэффициента избытка окислителя в интервале значений от 0,1 до 3. Так же были получены аппроксимационные зависимости изобарных теплоємкостей двуокиси углерода, метана, водяного пара, азота, кислорода и водороды от температуры сгорания топлива, аппроксимационные полиномы основных термодинамических зависимостей продуктов сгорания водорода и метана в воздухе, таких как работоспособность, плотность и скорость звука.
«Быстрые» оксиды азота
Механизм образования «быстрых» («промотированных») NO был предложен Фенимором (1979г.) исходя из результатов измерения концентрации NO над плоским углеводородным пламенем. Он отметил, что концентрация N0 не достигла нулевого значения, когда зонд достигал фронта пламени, перемещаясь вдоль течения, со стороны несгоревшей свежей смеси, как это предсказывал механизм Зельдовича. Дополнительный механизм «быстрого» образования N0 во фронте пламени более сложный, чем механизм «термического» образования N0, поскольку в нем участвуют радикалы СН, которые ранее рассматривались как несущественный промежуточный компонент. Радикалы СН, образующиеся как промежуточные компоненты только во фронте пламени, реагируют с азотом воздуха с образованием цианисто-водородной кислоты, которая далее реагирует с образованием NO. Так же следует отметить, что образование «быстрых» N0 происходит при относительно низких температурах (до 1000 С), а с дальнейшим ростом температуры выход оксидов практически не увеличивается.
Стоит особо отметить, что точной методики расчета выхода «быстрых» оксидов азота до настоящего времени не существует.
В работе [29] (рис 1.12) предложена схема вклада оксидов азота, образованных по различным механизмам, в общую картину образования NO в зависимости от температуры горения, где в качестве одной из составляющих выделен «быстрый» механизм. Произведя оцифровку результатов снятых с графика, получим следующую зависимость выхода «быстрых» оксидов азота от температуры (таблица 3.5.).
Таким образом, график, представленный на рис. 3.21, обобщает экспериментальные данные по выходу «быстрых» оксидов азота при горении метана в воздухе, позволяет с достаточной точностью прогнозировать количество «быстрого» оксида азота. Предложен аппроксимирующий полином для определения концентрации «промотированного» оксида азота в интервале температур HOOK - 2500 К. Он имеет вид: у = -2,765-10-19хб + 2,871-10"15х5 - 1,204-10"пх4 + 2,595-loV - 3,009-10"5х2 + 1,768-10"2х - 3,997 (г/м3).
В процессе же горения водорода в воздухе оксидов азота, образованных по «быстрому» механизму, наблюдаться не будет, так как нет радикалов СН и Сг, которые и обуславливают выход N0. Механизм образования NO из закиси азота (N20) аналогичен «термическому» механизму, в котором атом кислорода О реагирует с молекулой азота. Однако в присутствии третьей частицы М в этой реакции образуется молекула N20 [30]. N2 + 0 + M-+N20+M, N20 + 0- NO + NO. Очень часто эту реакцию не учитывают, поскольку она обычно дает незначительный вклад в полный выход N0. Тем более, что эту реакцию следует учитывать только при высоких давлениях. В моделируемом же процессе сгорания и водорода, и метана в воздухе реакции рассматриваются при давлениях, близких к атмосферному. Таким образом, в рассматриваемом процессе данную реакцию образования NO учитывать не будем.
Превращение топливного азота в NO наблюдается, главным образом, при горении угля, поскольку даже «чистый» уголь содержит 1% химически связанного азота. Азотосодержащие соединения испаряются во время процесса газификации, и это приводит к образованию NO в газовой фазе.
Так как в состав водорода и метана азот не входит, то при рассмотрении процесса горения водородо-воздушной и метано-воздушной композиций выход «топливных» оксидов азота равен нулю. Таким образом, данный компонент можно полностью исключить из рассмотрения. Процесс пульсации, который сопровождает процесс горения топлива в камере пульсирующего горения, несомненно, сказывается на количестве образовавшегося оксида азота.
В работах, опубликованных ранее, говорилось, что по экспериментальным данным, полученным при исследовании камер пульсирующего горения, наблюдалось снижение образования оксидов азота по сравнению с исследованием установок стационарного горения. Однако нигде подробно не рассматривалось, почему это происходит. В данной главе рассматривается влияние колебательного процесса в камере сгорания на изменение коэффициента избытка окислителя, так как именно его значение определяет температуру, а, следовательно, и количество образующихся оксидов азота.
Для этого рассмотрим простейшую схему, когда камера сгорания вместе с резонансной трубой образует резонатор Гельмгольца. [60] Однако, проточный канал АПГ с аэродинамическим клапаном не отвечает полностью модели резонатора Гельмгольца, так как камера сгорания кроме колеблющейся массы газа в резонансной трубе имеет еще присоединенную массу газа в аэродинамическом клапане, которая оказывает импульсное воздействие на состояние газа в камере сгорания. Поэтому должна рассматриваться задача о нахождении параметров модифицированного резонатора Гельмгольца с двумя присоединенными массами.
Эта проблема частично рассматривалась в работе [28, 60]. За основу принята модель с сосредоточенными параметрами, с использованием системы координат Эйлера. При этом координатой возмущенного движения инерционной массы является 8х = \-х0. При х0 = 0, очевидно, 5х = х, а массы газов, сосредоточенные в резонансной трубе и клапане, называются эквивалентными.
Модель влияния колебательного процесса на параметры в камере сгорания АПГ с аэродинамическим клапаном
При произвольных начальных условиях неизвестные коэффициенты определяются в результате решения системы четырех линейных алгебраических уравнений, образованных начальным заданием перемещений и скоростей первой и второй эквивалентной массы в момент времени т = 0. Наиболее интересным является случай, когда первой эквивалентной массе в начальный момент времени сообщается начальная скорость х и перемещение х, что соответствует первоначальному импульсу при запуске камеры пульсирующего горения от вентилятора.
Выражение fec= 1/2 f\ учитывает тот факт, что в процессе работы аппарата пульсирующего горения, колебания потока воздуха происходят только по оси аэродинамического клапана. У стенок же происходит постоянный приток воздуха в камеру сгорания. Это обуславливает постоянное движение потока воздуха от аэродинамического клапана к резонансной трубе. Благодаря чему не происходит выброс продуктов сгорания через аэродинамический клапан.
Хотя представленный подход к описанию движения в камере пульсирующего горения не учитывает ряд факторов, в частности явления диссипации и подвода энергии в систему вследствие горения, он позволяет произвести анализ и выявить важное свойство - наличие сложного движения, являющегося результатом прямолинейного движения системы в целом с наложенными на него колебаниями эквивалентных масс. Последнее наблюдение особенно важно, так как на практике при работе камеры пульсирующего горения наблюдается эффект среднерасходной скорости, то есть постоянно наблюдается поток газа, движущийся по направлению от аэродинамического клапана к выходу из резонансной трубы, на который наложены крупномасштабные колебания.
Полученные результаты важны для понимания процессов, происходящих в камере пульсирующего горения при сжигании в ней топлива. На основании полученных результатов можно произвести расчет процессов с учетом реальной геометрии аппарата, вида и свойств горючего и окислителя. Используя данный подход можно рассчитать выход оксидов азота, которые могут образоваться в процессе горения, тем самым, дать оценку экологического совершенства моделируемого аппарата. Последнее замечание приобретает все более важную роль в связи с ужесточающимися требованиями к теплотехническому оборудованию со стороны экологических организаций и надзорных органов.
В работе [62] приведена приближенная методика расчета геометрических размеров аппаратов пульсирующего горения на заданную мощность. Она служит для определения основных геометрических размеров аппаратов пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном в предположении одномерности потока на основе уравнений механики сплошной среды. На основании такого расчета можно получить наглядную картину происходящих внутри камеры сгорания процессов. По полученным результатам теоретически оценить выброс оксидов азота в окружающую среду и тем самым сделать выводы об экологич-ности аппарата.
Расчет проводится методом последовательных приближений, при этом используем предположение о том, что в пульсирующем режиме горения устанавливается несущий поток газа, подчиняющийся законам механики сплошной среды.
Предполагается, что колебания давления происходят около значения атмосферного давления и поэтому среднее за цикл давление принимается Р = 101325 Па. Масса же продуктов сгорания в камере сгорания остается постоянной в течение всего периода колебаний. Так как для определения массы необходимо время пребывания продуктов сгорания в камере, то задается частота колебания. Тогда масса продуктов сгорания в камере сгорания будет определяться выражением: mnc = (Gde+GT), (5.3) где G - действительный расход воздуха, который по определению коэффициента избытка окислителя находится из выражения: Ge03d =a-z0-GT (5.4) где а - коэффициент избытка окислителя; хо — массовый стехиометрический коэффициент, определяемый видом используемого топлива.
Задается исходное значение а и термодинамические свойства продуктов сгорания, определяемые расчетом процесса горения при выбранном а. Для процесса горения водорода или метана в воздухе удобно воспользоваться результатами расчетов процессов, описанных в главе 2 настоящей работы, а для продуктов сгорания дизтоплива использованы данные, приведенные в работе [28]. Одномерный подход к решению задачи не позволяет найти линейные размеры камеры сгорания, поэтому приняты параметрические рекомендации B.C. Северянина [9] dKc Idpm = 2,12. 4. Определение размеров резонансной трубы. Исходя из того, что за основу взят резонатор Гельмгольца, а для резонаторов такого типа справедливо выражение: 1рт = Ул Тогда длина резонансной трубы равна четверти длины акустической волны, которую легко найти по известному выражению Я = a I v.
Так как диаметр клапана получился существенно больше требуемого диаметра, то в камеру сгорания будет попадать избыточное количество воздуха (G eum). Он и будет выталкиваться из камеры сгорания. Как уже говорилось выше, время выталкивания составляет половину периода. Данная методика приближенная, но тем не менее, позволяет произвести оценочный расчет геометрических параметров АПГ, а так же его основных технологических параметров. По методике изложенной выше был произведен расчет геометрии аппаратов пульсирующего горения, где в качестве топлив использовались водород, метан и дизельное топливо.
