CC BY
12
НОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 681.3.06
МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В ЖИДКОЙ СРЕДЕ
А.Р. МУХУТДИНОВ, Р.Г. ТАХАВУТДИНОВ, М.С. КОРСУКОВ Казанский государственный энергетический университет
Разработана конструкция теплогенерирующего устройства на основе твердого топлива с использованием информационных технологий. Предложена математическая модель процесса горения, показана возможность и перспективность ее применения для оптимизации состава твердого топлива в теплогенерирующих устройствах, эксплуатируемых в жидкой среде.
Введение
Изучение процесса горения играет важную роль в повышении эффективности использования твердого топлива (ТТ) в теплогенерирующих устройствах. В настоящее время широко применяются аппараты с погружными горелками [или аппараты погружного горения (АПГ)], которые относятся к современному теплоиспользующему оборудованию, предназначенному для нагрева и выпаривания растворов кислот, минеральных солей, сточных вод, содержащих шламы, взвеси и различные механические примеси [1]. Исследование процесса горения требует больших затрат времени и финансов. Развитие информационных технологий позволяет уменьшить объем экспериментов и выйти на более высокий уровень создания перспективных технических систем на основе ТТ. В связи с этим разработка энергосберегающих систем на основе теплогенерирующих устройств с использованием современных информационных технологий является актуальной задачей, имеющей научный и практический интерес.
В данной работе показана возможность использования информационных технологий для создания автономных аппаратов погружного горения на основе ТТ, позволяющих обезвреживать жидкие отходы и сточные воды. Их принцип действия характеризуется барботажными процессами, протекающими между продуктами сгорания и растворами. В качестве ТТ используется смесь окислителя (нитрат аммония) и горючего (эпоксидный компаунд). При сжигании ТТ в устройстве, помещенном на некоторую глубину в жидкость, продукты сгорания выделяются через сопло. Они, барботируя в жидкости, разбиваются на газовые пузырьки, образующие при всплывании большую межфазную поверхность тепло- и массообмена. При непосредственном контакте интенсивное испарение раствора достигается путем насыщения газовых пузырьков парами воды. Выпаривание жидкости в этом случае протекает при равновесной температуре (температура мокрого термометра), которая для воды при атмосферном давлении на (15-16)°С ниже температуры кипения. Характерно, что при равновесной температуре газовые пузырьки полностью насыщаются водяным паром и уходят из водных растворов в виде парогазовой смеси с
© А. Р. Мухутдинов
Проблемы энергетики, 2007, № 3-4
температурой на (1-2)°С выше температуры испарения. Поэтому при непосредственном контакте продуктов сгорания с жидкостью процессы тепло- и массообмена протекают с резким снижением теплопотерь. Коэффициент использования теплоты сгорания топлива составляет 95-96%.
Экспериментальная установка
Проверка работоспособности опытных образцов разработанной конструкции теплогенерирующего устройства проводилась на стендовой установке (рис. 1), состоящей из цилиндрического сосуда (3) внутренним диаметром 0,1 м и высотой 0,8 м, с полным объемом камеры 6 л, для размещения и сжигания образцов в жидкой среде. На боковой поверхности сосуда имеется отверстие для датчика температуры типа DS18S20 (#). Электрическая цепь датчика температуры соединена с адаптером (А) типа ML97U-009 и персональным компьютером (ПК) для регистрации изменения температуры во времени в процессе горения. Торцы сосуда закрываются пробками (2, 9) и поджимаются крышками (1, 10). В верхней пробке установлен электроввод для соединения электрической цепи узла воспламенения опытного образца устройства с источником тока. Образец закрепляется на держателе (5). Провода от узла воспламенения подсоединяются к электровводу на пробке. На узел воспламенения подается электрический импульс, воспламеняющий образец. Выделяющиеся при работе опытного образца устройства продукты сгорания выводятся из камеры посредством линии сброса (4). Для аварийных режимов работы устройства предусмотрен предохранительный клапан (11).
Рис. 1. Схема стендовой установки: 1, 10 - крышка; 2, 9 - пробка; 3 - корпус; 4 - линия сброса; 5 -держатель; 6 - опытный образец; 7 - регистрирующая аппаратура; 8 - датчик температуры; 11 -
предохранительный клапан
Построена математическая модель процесса горения ТТ на основе нитрата аммония (НА) в жидкой среде и предложен вариант программной реализации определения эксплуатационных параметров процесса горения ТТ в теплогенерирующих устройствах с использованием прикладного программного обеспечения Microsoft Excel.
Поверхность горения ТТ обладает сложной гетерогенной структурой, определяемой не только полидисперсным составом исходного порошка окислителя, но и случайным расположением частиц окислителя по объему смесевого ТТ и неодновременностью их выхода на поверхность горения. Поэтому даже частицы окислителя первоначально одинакового размера в один и тот же момент времени будут иметь различные поверхности горения за счет неодновременного выхода на поверхность ТТ. Это приводит к разному вкладу частиц в массовые и тепловые потоки. Реальная модель горения должна отражать сложную гетерогенную структуру поверхности горения ТТ и включать статистический подход, учитывающий полидисперсность частиц окислителя в топливе, неодновременность их выхода на поверхность горения и взаимодействие пламен, существующих над различными частицами окислителя.
За основу модели процесса горения ТТ на основе НА в условиях жидкой среды выбран подход Бекстеда - Дерра - Прайса (БДП) и его обобщения [2]. По аналогии с этой моделью, поверхность связующего считается плоской. Поверхность горения частиц окислителя имеет диаметр основания Dc. Очевидно,
Dc может рассматриваться как диаметр сечения частицы окислителя плоской поверхностью связующего. В каждый момент времени статистическая структура поверхности горения ТТ может быть охарактеризована функцией распределения Fc (Dc) dDc , равной доле частиц окислителя на поверхности ТТ, откуда диаметр собственной поверхности горения лежит в диапазоне [ Dc, Dc + dDc ]. Поверхность горения ТТ для любого Dc может быть представлена в виде суммы поверхностей псевдосвязующего [связующее вместе с частицами окислителя, имеющими на поверхности горения ТТ диаметры, меньшие или равные Dc, (при Dc =0 псевдосвязующее совпадает со связующим)] и псевдонаполнителя [частицы окислителя с диаметрами сечений больше Dc (при Dc = да псевдосвязующее совпадает с самим топливом)]. В настоящей работе (согласно [3]) частицы наполнителя «рассортированы» по псевдосвязующим, т.е. по размерам своих мгновенных поверхностей горения, что отражает механизм участия частиц наполнителя в процессе горения ТТ. Данный подход позволил сформулировать краевую задачу для тепловых потоков и скоростей разложения псевдосвязующих различного уровня [2, 3]. Граничное условие при Dc =да ^ qр (да)= q =0, (т.к. к
поверхности горения ТТ не подводится энергия извне) и m р (да) = т.
Массовая скорость горения псевдосвязующего mр (Dc) определяется как
массовый поток с единицы поверхности горения, а удельная поверхность горения Sp (Dc) — как доля плоского сечения ТТ, занятая псевдосвязующим.
Рассматривается модель разложения связующего и частиц окислителя, соответствующих разным Dc, для полидисперсного ТТ в жидкой среде. ТТ на основе НА характеризуется отрицательным кислородным балансом из-за © Проблемы энергетики, 2007, № 3-4
недостатка окислителя. Поэтому после выгорания всего окислителя в продуктах разложения псевдосвязующего образуется однородная газовая смесь, содержащая неизрасходованные горючие компоненты в концентрации a f (Dc) и имеющая
температуру Тff (Dc). Последняя определяется термодинамическим расчетом по составу псевдосвязующего, т.е. по заданной концентрации окислителя аох (Dc) в продуктах разложения [4].
На следующей стадии конечные продукты разложения сгорают в конкурирующих пламенах около частиц окислителя, имеющих размеры сечения на поверхности горения ТТ в диапазоне [ Dc, Dc + dDc ]. Конкурирующие пламена рассматриваются в соответствии с моделью БДП с учетом влияния жидкой среды.
Скорость разложения связующего и частиц окислителя определяется из уравнений Аррениуса, справедливых для процессов пиролиза, когда разложение происходит в узком приповерхностном слое к-фазы:
mf = A fexp
f E ^ Ef
RTsfJ
mox (Dc )= AoxexP
E
^ox
, (1)
RTx,ox {РС )>
где Af, Aox, Ef , Eox - постоянные; Tsf, Т^0х {рс ) - температуры поверхностей
горения связующего и частиц окислителя размером Dc.
Учитывая, что прогретый слой в к-фазе соответствует стационарному
горению, вклад в тепловой поток qох (Dc) вносят лишь диффузионные пламена
при горении частиц окислителя с диаметром сечения, большим Dc. Следовательно, температуры Т^ и Т^0х {рс ) определяются из уравнений баланса тепла на соответствующих поверхностях к-фазы [4]:
СГ ( - Т0)+ Qf = , (2)
•' •' •' mf
Cox [,ox(Dc)- To ]+ AHs + Ql = ^(\, (3)
mox (Dc )
{рс )
т0
где Сf, с0Х - удельные теплоемкости связующего и окислителя; Qf - теплота разложения связующего; QL - результирующий тепловой эффект реакций, протекающих на поверхности окислителя; AHs - теплота образования твердого окислителя; Чр {рс ) - тепловой поток, идущий из газовой фазы на прогрев единицы поверхности псевдосвязующего Рс с учетом влияния жидкой среды; Чох {Рс ) - тепловой поток, идущий из газовой фазы на прогрев единицы поверхности горения частицы окислителя, имеющей размер Рс, с учетом влияния жидкой среды.
Ограничиваясь приближением осредненных потоков, с учетом влияния жидкой среды, давления, и используя следующие допущения: тепловой поток от
диффузионных пламен при горении частицы окислителя, принадлежащей диапазону [ Рс, Рс + йРс ], распределяется между поверхностями этой частицы и
псевдосвязующего Рс в пропорции Р0х :(1-Рах); тепловой поток от
диффузионных пламен при горении частицы окислителя [ Рс, Рс +dDc], идущий
на прогрев псевдосвязующего Рс, распределяется равномерно по поверхности
последнего; тепловые потоки для псевдосвязующих и псевдонаполнителей различных уровней считаются аддитивными, - в работе определялись величины Ч0х(Рс)и Чр (Рс) (оставаясь в рамках уточненной модели БДП [3]).
Параметры, описывающие собственное пламя монотоплива-окислителя и диффузионные пламена над частицей окислителя Рс, находятся в соответствии с моделями [2-4]. Термодинамические параметры диффузионных пламен определяются концентрацией горючих компонентов а f (Рс) и окислителя
аох (Рс) в продуктах сгорания псевдосвязующего более низкого уровня.
Прямое обобщение этого метода на полидисперсную модель возможно, если считать Р0х не зависящим от Рс. В этом случае для определения Р0^ необходимо требовать выполнения равенства
поверхности горения частиц окислителя; а 0 - массовая доля окислителя в ТТ.
Задача решается методом итераций.
Результаты работы [3] показывают, что для широкого спектра частиц окислителя величина Рах изменяется в относительно узком диапазоне, поэтому использование подхода (4) не ведет к грубой ошибке.
Рассмотрим геометрические параметры горящего ТТ. Распределение частиц исходного порошка окислителя в ТТ по размерам задается плотностью распределения F(Р), где Р - диаметр частицы окислителя, а их число в единице объема - величиной п, определяемой массовой долей окислителя в ТТ. Проведя ряд преобразований, плотность распределения определяется соотношением
Модель выгорания частиц окислителя заключается в одновременном выгорании частицы окислителя и соответствующего ей слоя связующего, при котором выполняется условие неразрывности состава (4) на поверхности горения ТТ (согласно [3]). Поверхность горения частицы окислителя в каждый момент времени имеет форму параболоида, максимальное сечение которой совпадает с сечением поверхности частицы связующего диаметром Рс.
Для осуществления решения поставленной задачи необходимо определить значения различных параметров. Это явилось трудным и даже критическим моментом оценки модели, т.к. большинство значений параметров либо не
(4)
где Sf - удельная поверхность горения связующего; S0x(Рс)- средняя площадь
(5)
известно, либо известно лишь с какой-то степенью приближения. Тем не менее,
можно избежать указанных трудностей, если определять относительную роль и
использовать относительные величины
для тех параметров, которые оказывают
лишь незначительное влияние на
конечные результаты. Далее, расчеты
можно вести, основываясь на множестве
известных экспериментальных данных,
беря их столько, сколько возможно. В
этом случае нежелательные
погрешности, вызванные незнанием
значений параметров, можно уменьшить.
Задача решалась численно методом
итераций с помощью персонального
компьютера Репгіиш IV. На основании
расчетных и экспериментальных
исследований установлены некоторые
особенности и закономерности процесса
„ горения ТТ в теплоэнергетических
Рис. 2. Теплогенерирующее устройство 1 г _
автономного АПГ: 1 - соединительная муфта; 2, устан°вках в жидк°й среде и разраб°тана
7 - герметизирующий слой; 3 - металлическая новая конструкпия теплогенерирующего
камера термоисточника; 4 - твердое топливо на устройства в металлическом корпусе
основе нитрата аммония; 5 - соединительные (рис. 2), технические характеристики
провода; 6 - узел воспламенения которого представлены в таблице.
Таблица
Технические характеристики теплогенерирующего устройства
Характеристика Значение
1. Камера: - наружный диаметр, м - высота, м 0,073 1,1...1,2
2. Твердое топливо: - диаметр, м - высота, м - плотность основного состава, кг/м3 - масса основного состава, кг 2 1,1 1500 5,0 д,-н,-ніл © 1
3. Рецептура твердого топлива, % вес: - нитрат аммония - эпоксидная смола марки ЭД-20 - пластификатор марки ЭДОС - отвердитель марки АФ-2М 79 16,3 0,8 3,9
4. Эксплуатационные параметры - теплота сгорания (расчетная), кДж/кг - температура горения (расчетная), К - объем газообразных продуктов горения (расчетный), м3/кг: - скорость горения при давлении 0,1...0,4 МПа, мм/с 2380 2001 1,2 0,03...0,05
5. Среднее время работы устройства при давлении 0,1 МПа, часов ЧО
6. Рабочее давление среды, МПа 0,1
7. Напряжение узла воспламенения, В 12
8. Рабочая среда сточная вода, растворы кислот и минеральных солей
Полученная система уравнений позволяет при заданной плотности распределения частиц окислителя F(D) в ТТ рассчитать все параметры стационарного процесса горения для полидисперсного ТТ в жидкой среде. Переход к модели горения ТТ, содержащей одну или несколько узких фракций окислителя, осуществляется заменой функции F(D) взвешенной суммой соответствующих 5-функций. Для нахождения приемлемых величин различных параметров проводились параметрические расчеты в соответствии с моделью, которые затем сравнивались с известными характеристиками ТТ на основе НА. Сопоставление расчета с экспериментом показывает, что модель занижает значение скорости горения в жидкой среде (15-20 %) и завышает в газовой (10-30 %). Это объясняется влиянием среды на тепловыделения в газовой фазе. Предложенная модель дает хорошее подтверждение расчета с экспериментом по скоростям горения и по температурам поверхности окислителя и связующего.
Стендовые испытания подтвердили перспективность использования теплогенерирующего устройства на основе НА в качестве автономного АПГ, т.к. он обладает необходимыми эксплуатационными параметрами, а его ТТ -стабильным процессом горения.
Выводы
Разработана и отработана в стендовых условиях новая конструкция теплогенерирующего устройства в металлическом корпусе, снаряженная твердым топливом на основе нитрата аммония. Показана возможность использования ее в качестве автономного аппарата погружного горения.
Summary
The design heat - generating of the device is developed on the basis of firm fuel with use of information technologies. The mathematical model of process of burning is offered, the opportunity and perspectivity of its(her) application for optimization of structure of firm fuel in heat - generating the devices maintained in the liquid environment is shown.
Литература
1. Алабовский А. Н., Удыма П. Г. Аппараты погружного горения. - М.: Издательство МЭИ, 1994. - 256 с.
2. Beckstead, M.W.. Derr, R.L., and Price, C.F., "A Model of Composite Solid Propellant Combustion Based on Multiple Flames," AIAA Journal, Vol. 8, Dec. 1970, pp. 2200-2207.
3. Рашковский С.А. Статистическая модель горения гетерогенных конденсированных смесей // Физика горения и взрыва. - 1992. - №6. - С. 17-24.
4. Моделирование процессов горения твердых топлив / Л.К. Гусаченко,
В.Е. Зарко, В.Я. Зырянов, В.П. Бобрышев. - Новосибирск: Наука, 1985. - 181 с.
Поступила 01.09.2006
