CC BY
51
6. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели. - Л.: Машиностроение, 1972. - 128 с.
7. Еськов А.В. Приборы и методы оптического контроля параметров распыления топлива дизельными форсунками. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2007. - 92 с.
8. Бразовский В.В., Вагнер В.А., Евстигнеев В.В., Еськов А.В., Пролубников В.И., Тубалов Н.П. Голографический метод ис-
следования дисперсного состава аэрозоля // Горизонты образования. - 2006. - Вып. 8. - С. 1-9.
9. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. - Харьков: Вища школа, 1980. - 170 с.
Поступила 30.09.2009г.
УДК 621.43:068.4
КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ В ФИЛЬТРАЦИОННЫХ УСТАНОВКАХ
В.К. Кулешов, В.В. Бразовский, В.А. Баранов
Томский политехнический университет E-mail:altaikompozit@mail. ru
Исследованы параметры отработавших газов дизельного двигателя в полостях фильтров методом многоканального зондирования. Регистрация параметров сажи осуществлялась голографической установкой, кроме того проводилось измерения температуры и химического состава газов в местах контроля с последующей компьютерной обработкой результатов. Установлено, что на процесс фильтрования частиц оказывает существенное влияние избыток окислителя в реакторе фильтра, противодавление на выпуске и пористость фильтров, а после них повышается температура отработанных газов, что свидетельствует о протекании экзотермических реакций в пористой стенке.
Ключевые слова:
Цифровая голография, фильтрация отработанных газов, гистограмма, распределение частиц, приборный комплекс, контроль параметров твердых частиц, дисперсный поток
Key words:
Digital holography, exhaust gas filtration, histogram, particle distribution, instrument set, control of solid particle parameters, disperse flow.
Введение
Состав продуктов сгорания углеводородных топлив насчитывает более 1200 компонентов. Из них в настоящее время нормируются стандартами только оксид углерода, оксид азота, углеводороды и твердые частицы. В понятие «твердые частицы», кроме сажевых частиц, включаются частицы топлива, масел, твердые органически нерастворимые и органически растворимые фракции продуктов разложения углеводородов, сульфиты воды. Дизели выбрасывают в окружающую среду с отработанными газами значительное количество твердых частиц сажи, являющихся абсорбентом для полици-клических ароматических углеводородов, часть из которых обладает канцерогенными свойствами [1-3]. Твердые частицы при сгорании углеводородных топлив имеют различную дисперсность. Дисперсность существенно зависит от условий и режимов сжигания топлив. Дизельная сажа не является чистым углеродом и содержит водород, кислород, летучие, зольные, коксовые соединения. Удельная поверхность сажи значительна и может достигать 300 м2/г. В отработанных газах сажа находится в виде образований неправильной формы с линейными размерами от 0,3 до 100 мкм, зависящими от режима эксплуатации дизеля. Дизельная сажа склонна к образованию конгломератов, содержащих от сотен до тысяч частиц, отличающихся значительной
прочностью. Частица диаметром около 10 мкм, например, имеет массу порядка 10-10 мг [4]. Это позволяет частице сажи длительное время находиться в атмосфере во взвешенном состоянии.
При контроле эффективности очистки сажи в отработавших газах необходимо учитывать тот факт, что возможно неравномерное распределение сажи по сечению выпускного коллектора, а также по полостям фильтрационной системы. Учитывая это обстоятельство, становится актуальным производить многоканальные исследования полостей фильтрационных систем. Это необходимо для понимания процессов, происходящих при очистке, и выработки оптимальных параметров фильтрации.
Стенд многоканального контроля полостей
каталитического нейтрализатора
Поскольку спектр выбросов отработанных газов очень широк и зависит как от режима работы двигателя, так и от состава топлива и присадок к нему, методы исследования качественного и количественного состава выбросов чрезвычайно разнообразны [4]. Для данного исследования применен приборный комплекс измерения дисперсности конденсированной фазы отработанных газов [5], в котором регистрация сажи осуществляется методом цифровой голографии [6].
Созданный экспериментальный комплекс представляет собой установку, включающую источник газов (дизельный двигатель КамАЗ-740, соединенный муфтой с балансирной машиной), съемные системы фильтрации со встроенными зондами и установку голографического контроля параметров сажи.
Через зонды, вмонтированные в полости каталитического нейтрализатора, отработанные газы через многопозиционный кран по гибкому подводу поступают к предметной области голографической установки. В установке также проводились измерения температуры и химического состава газов в местах контроля.
Для обеспечения многоканального продольного индицирования нейтрализаторов и сажевых фильтров в конструкции последних были внесены изменения, не влияющие на физико-химические процессы. На рис. 1 представлена схема многоканального зондирования полостей сажевых фильтров для очистки газов.
Рис. 1. Расположение каналов продольного зондирования реактора нейтрализатора: 1) фланец; 2) корпус; 3) блок изоляции; 4) каталитический блок; 5, 7, 9, 12, 14) каналы зондирования внешней полости реактора; 6, 8, 10, 11, 13) каналы зондирования внутренней полости реактора фильтра
Отработанные газы подводились к фильтру, со стороны входа газов в торцевой крышке устанавливались зонды для отбора части газов, соединенные с установкой голографического контроля дисперсного состава, в шести отверстиях, смещенных относительно друг друга на 45° от осевой в продольной плоскости и сдвинутых радиально последовательно на диаметр отверстия (рис. 1).
Зондирование предусматривалось и в поперечном направлении в двух сечениях (рис. 2).
Установка поворотных вертикальных зондов для отбора газов из полостей реактора фильтра с блоками, изготовленными методом самораспро-строняющегося высокотемпературного синтеза (СВС-блоками), представлена на рис. 3.
Рис. 3. Установка поворотных вертикальных зондов для отбора газов: 1) патрубок входа газов; 2) фланец; 3) пористый фильтр; 4) внутренняя полость реактора; 5) промежуточная полость; 6, 7) окна; 8) штуцер; 9) крышка отборника; 10) рычаг поворотный; 11) корпус; 12, 16) изолирующие блоки; 14) пористый блок; 15) выходная полость; 17) отборник; 18) фланец; 19) патрубок
Результаты экспериментов
Результаты исследования приведены на рис. 5 и 6. Номера кривых соответствуют линиям зондирования.
В табл. 1 приведены сравнительные данные зондирования полостей каталитических нейтрализаторов и прямых измерений содержания твердых
Рис. 2. Поперечные разрезы нейтрализатора: а) в пристеночных областях фильтрующего блока; б) в центральных областях реактора. Обозначения: 1) фланец; 2) корпус; 3) теплоизолирующий блок; 4) внутренний фильтрующий блок; 5, 6) зонды; 7) промежуточный канал
частиц в полостях реактора, разделенных пористой проницаемой стенкой СВС-блока. Здесь же для оценки качества фильтрования приведено сравнение полученных результатов.
Из табл. 1 видно, что отношение площади фильтра ¥ф к расходу газов характеризующая напор конденсированной фазы на пористую фильтрующую перегородку, в значительной степени влияет на качество очистки газов. Данные оптического зондирования полостей реактора подтверждаются результатами прямых измерений.
При отборе газов через реакторы наблюдалось присутствие частиц размером до 36 мкм, а наибольшее количество - от 4 до 8 мкм.
Таблица 1. Влияние относительной площади фильтра на качество очистки отработавших газов со содержанием частиц 0,185 г/М
Относительная площадь фильтра, х104 м2/(м3/ч) Данные зондирования Прямые измерения
Твердые частицы после фильтра, г/м3 Температура: до фильтра/после фильтра, К Твердые частицы после фильтра, г/м3
1,63 0,130 800/860 0,130
1,82 0,128 780/840 0,130
2,13 0,126 700/770 0,125
2,46 0,120 580/650 0,120
Увеличение ¥ф/У0Г с 1,63.10-4 до 2,46.10-4 приводит к изменению размеров твердых частиц. Если в первом случае преобладают частицы с размером до 8 мкм и наибольшая их доля составляет 5 %, то во втором случае - преобладают частицы от 2 до 10 мкм и доля частиц 4...6 мкм составляет 1...6 %.
В табл. 2 и 3 приведены сравнительные данные зондирования полостей каталитических нейтрализаторов и прямых измерений содержания твердых частиц в полостях реактора, разделенных пористой проницаемой стенкой СВС-блока. Здесь же для оценки качества фильтрования приведено сравнение полученных результатов.
Таблица 2. Влияние среднего диаметра пор на качество очистки отработавших газов с содержанием частиц 0,15 г/М при продольном зондировании
Средний приведенный диаметр пор, мкм Данные зондирования Прямые измерения
Твердые частицы после фильтра, г/м3 Температура: до фильтра/после фильтра, К Твердые частицы после фильтра, г/м3
120 0,015 780/820 0,018
150 0,036 0,040
180 0,050 0,050
240 0,060 0,060
Из табл. 2 видно, что при увеличении среднего приведенного диаметра пор йп СВС-блоков со 120 до 240 мкм качество очистки от твердых частиц снижается с 90 до 57 %. Необходимо сказать, что при 4,=120 мкм увеличивается противодавление, создаваемое фильтром при прочих равных усло-
виях. Одним из путей сохранения высокого качества очистки является создание мелкопористых фильтров с большой площадью поверхностей ¥ф.
Результаты исследования концентраций твердых частиц в полостях реактора нейтрализатора приведены на рис. 4. Номера кривых соответствуют линиям зондирования.
Анализ обработки результатов зондирования фильтров говорит о том, что уменьшение диаметра пор позволяет после фильтра иметь в составе газов твердые частицы до 8 мкм, но с долей их содержания не более 4 %, что свидетельствует о высоком качестве очистки.
При отборе газов из реактора после фильтров обнаружено, что при пористости П=0,37 в конденсированной фазе содержится до 1 % частиц размером 2 мкм, до 3 % - 4 мкм, до 2 % - 8 мкм.
При увеличении пористости фильтров до П=0,5 в конденсированной фазе содержится до 2 % частиц размером 2 мкм, до 6 % частиц размером 6 мкм и до 6 % частиц размером 8 мкм.
Таблица 3. Влияние пористости материала на качество очистки отработавших газов с содержанием частиц 0,15 г/м
Пористость материала Данные зондирования Прямые измерения
Твердые частицы после фильтра, г/м3 Температура: до фильтра/после фильтра, К Твердые частицы после фильтра, г/м3
0,20 0,070 780/790 0,07
0,37 0,052 785/805 0,05
0,50 0,031 790/810 0,03
0,72 0,015 800/850 0,01
Результаты поперечного зондирования
реакторов сажевых фильтров
При изучении влияния диаметра пор на дисперсность твердых частиц в конденсированной фазе отработанных газов для установления идентификации результатов измерений было осуществлено и поперечное зондирование измерений полостей реактора.
В табл. 4 приведены сравнительные данные зондирования полостей каталитических нейтрализаторов и прямых измерений содержания твердых частиц в полостях реактора, разделенных пористой проницаемой стенкой СВС-блока. Здесь же для оценки качества фильтрования приведено сравнение полученных результатов. На рис. 5 приведено распределение твердых частиц по размерам средних приведенных диаметров.
Температура отработанных газов и концентрация твердых частиц в сечениях 1-1, 2-2 не зависит от среднего приведенного диаметра пор и находится в пределах Тог=780...790 К, Си=168 г/м3. В сечениях 3-3 и 4-4 температура отработанных газов меняется от 780 до 850 К, а концентрация твердых частиц увеличивается с 0,02 до 0,08 г/м3 при росте среднего
41х
к-—г Г- 3
7
_| 7_у/
Стч
120 150 180 210 2^0 270 йп, мкм
0,2 0,3 0А 0,5 0,6 0,7 П
а б
Рис. 4. Влияние параметров фильтра на качество очистки газов от твердых частиц: а) среднего диаметра пор; б) пористости и извилистости пор. £:и - извилистость пор; Стч - концентрация частиц
приведенного диаметра пор с 120 до 270 мкм (рис. 5, табл. 4). Таким образом, с изменением среднего приведенного диаметра пор с 270 до 120 мкм, концентрация твердых частиц, прошедших через фильтр, уменьшается более чем в четыре раза.
Из данных табл. 4 видно, что результаты оптического зондирования соответствуют данным прямых измерений.
Анализ графиков рис. 5, а, и табл. 4 говорит о том, что поперечное зондирование можно применять так же успешно, как и продольное.
Таблица 4. Влияние среднего диаметра пор на качество очистки отработавших газов с содержанием частиц 0,17 г/м3 при поперечном зондировании
Средний диаметр пор, мкм Данные зондирования Прямые измерения
Твердые частицы после фильтра, по сечениям 3-3/4-4, г/м3 Температура: до фильтра/после фильтра, К Твердые частицы после фильтра, г/м3
120 0,022/0,020 780/790 0,02
180 0,042/0,038 785/805 0,04
240 0,067/0,060 790/810 0,06
270 0,086/0,080 800/850 0,08
Рис. 5. Влияние параметров фильтра на качество очистки газов от твердых частиц при поперечном зондировании: а), б) среднего диаметра пор при контроле различных полостей; в) коэффициента избытка воздуха а
3 о
X 2 5 20
е 15 а - 10
5
О
О.. 2.. и.. 6.. 8.. 10.. Отч,мкм
а
12
10
Е 6
5 4 г 2 о
о.. 2.. и.. 6.. 8.. [|тч,мкм
Рис. 6. Характер распределения твердых частиц при поперечном зондировании при 6„=150 мкм, п=1900 мин-, мощность ди-зеля=189 кВт по средним приведенным диаметрам: а) до СВС-фильтра; б) после СВС-фильтра. Dmч - средний размер твердых частиц; N(Dmч) - содержание частиц
Сравнивая данные, полученные после СВС- 4 мкм остается прежней, доля частиц со средним раз-
фильтра (рис. 6), можно отметить, что при прохожде- мером 6 мкм снижается с 28 до 3 %. Содержание ча-
нии через фильтр доля частиц со средним размером стиц с размером свыше 10 мкм не отмечается.
Выводы
1. Методом многоканального двухкоординатного зондирования установлено, что на процесс фильтрования частиц оказывает влияние избыток окислителя в реакторе фильтра. По данным зондирования и прямых измерений при увеличении избытка воздуха в реакторе фильтра с 2,2 до 7,3 температура после фильтра повышается на 25...52°, что свидетельствует о протекании экзотермических реакций в пористой стенке фильтра.
2. Показано, что средний приведенный диаметр пор СВС-материалов не характеризует в полной
мере фильтрующие свойства, а внутренняя структура поверхности пор позволяет захватывать частицы со средними приведенными диаметрами, меньшими на 1...1,5 порядка по размеру.
3. Рост относительной площади фильтра, при постоянных показателях пористости и извилистости материала, в 1,5 раза приводит к повышению качества очистки всего на 3...5 %, а увеличение среднего приведенного диаметра пор в СВС-материале со 120 до 240 мкм приводит к снижению качества очистки конденсированной фазы от твердых частиц в 4 раза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белинкий Л.М. Теплоизлучение в камерах сгорания быстроходного двигателя с воспламенением от сжатия // Труды НИЛД. - М.: Машгиз, 1955. - № 1. - С. 83-113.
2. Лоскутов А.С. Исследование механизмов образования топливных окислов азота и сажи в цилиндре дизеля: Дис. ... канд. техн. наук. - Л.: ЛПИ, 1983. - 293 с.
3. Смайлис В.И. Современное состояние и новые проблемы экологии дизелестроения // Двигателестроение. - 1991. - № 1. -С. 3-6.
4. Бразовский В.В., Бразовская О.В., Бразовский В.Е. Приборы и методы исследования параметров дисперсного состава продуктов сгорания в ДВС. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2008. - 124 с.
5. Бразовский В.В., Евстигнеев В.В., Кашкаров Г.М., Туба-лов Н.П. Исследование методом цифровой голографии процессов очистки отработавших газов // Известия Томского политехнического университета. - 2008. - Т. 312. - № 3. -С. 107-112.
6. Бразовский В.В., Вагнер В.А., Евстигнеев В.В., Еськов А.В., Пролубников В.И., Тубалов Н.П. Голографический метод исследования дисперсного состава аэрозоля // Горизонты образования. - 2006. - Вып. 8. - С. 1-9.
Поступила 16.10.2009 г.
УДК 621.643.001:536.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ТЕПЛОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ УВЛАЖНЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ
В.С. Логинов, В.Ю. Половников, Д.К. Кравченко, Т.В. Рябичев
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Проведены экспериментальные исследования по определению тепловых потерь теплопровода в условиях затопления и времени сушки тепловой изоляции после осушения канала. Установлены масштабы тепловых потерь и определена длительность сушки изоляции теплопровода, эксплуатируемого в условиях увлажнения изоляции.
Ключевые слова:
Теплопровод, тепловая изоляция, затопление, тепловые потери, сушка.
Key words:
Heat pipeline, thermal insulation, flooding, thermal loss, drying.
Введение
Исследование тепловых режимов работы теплопроводов, как в штатных, так и во внештатных условиях является актуальной задачей при анализе эффективности работы и создании энергосберегающих систем транспортировки тепла.
В настоящее время неоднократно отмечалось [1-4], что уровень тепловых потерь при транспортировке теплоносителя существенно превышает нормативные значения. Одним из основных фак-
торов [1-4], приводящим к увеличению теплопо-терь, является эксплуатация теплотрубопроводов в измененных термовлажностных условиях.
В последнее время типичной становится работа тепловых сетей [1-4] в условиях увлажнения изоляции. Подобные условия эксплуатации теплопроводов включают стадии: насыщение тепловой изоляции влагой, работа теплопровода с увлажненной изоляцией или в условиях затопления канала тепловой сети, а также сушка тепловой изоляции после удаления влаги из канального пространства.
