CC BY
26
5. Цысс, В. Г. Работоспособность амортизирующих конструкций систем амортизации стартовых комплексов и агрегатов стартового оборудования [Текст]: учеб. пособие / В. Г. Цысс. — Омск: Иэд-во ОмГТУ, 1999. - 124 с.
6. Цысс, В. Г. Основы проектирования стартовых ракетных комплексов [Текст] : учеб. пособие / В. Г. Цысс, В. В. Шалай, М. Ю. Сергеева. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. - 112 с.
7. Калашников, Б. А. Системы амортизации объектов с дискретной коммутацией упругих элементов [Текст]: монография / Б. А. Калашников. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. - 344 с. - ISBN 978-5-8149-0637-3.
КАЛАШНИКОВ Борис Александрович, доктор технических наук, доцент кафедры авиа- и ракетостроения. Адрес для переписки: e-mail: bkalashnikovl @yahoo.com РАССКАЗОВА Наталья Николаевна, аспирантка кафедры авиа- и ракетостроения. Адрес для переписки: e-mail: nata_rasskazova@mail.ru
Статья поступила в редакцию 10.03.2011 г. © Б. А. Калашников, Н. Н. Рассказова
УДК 621.311.22 Л. С. НЕНИШЕВ
А. Г. МИХАЙЛОВ П. А. БАТРАКОВ Д. С. РОМАНЕНКО С. В. ТЕРЕБИЛОВ
Омский государственный технический университет
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАГИРУЮЩЕЙ СРЕДЫ В ТОПОЧНЫХ КАМЕРАХ ГАЗОТРУБНЫХ КОТЛОВ
В статье рассмотрены реакции окисления, используемые при расчетах процессов горения газообразного и жидкого топлива в топочных камерах газотрубных котлов. Определенное внимание уделено вопросам образования оксидов азота при горении органического топлива.
Ключевые слова: горение, химическая кинетика, органическое топливо, оксиды азота.
Химическая кинетика изучает закономерности развития химических реакций. В настоящее время это необходимый этап исследований при моделировании реагирующей среды в топках газотрубных котлов, так как сокращение выбросов вредных веществ, образующихся при горении, и повышение экономичности топочных камер не могут быть достигнуты без обстоятельного изучения химии горения. Необходимым этапом моделирования при этом является построение кинетических схем химического взаимодействия. В общем случае кинетическая схема представляет собой набор элементарных химических реакций, описывающих процесс преобразования компонентов рабочего тела. Современный уровень знаний в области химии горения позволяет формировать в основном модельные механизмы. Для конкретного реального процесса может быть предложено несколько альтернативных кинетических схем. Обоснование выбора той или иной кинетической схемы, используемой для проведения численных исследований, в некоторых случаях может быть весьма затруднительным, что обусловлено ограниченными возможностями экспериментального изучения сложных химических процессов [ 1 ].
Наиболее распространенный способ построения кинетических схем заключается в учете максимального количества элементарных реакций, протекание которых представляется вероятным в рассматриваемых условиях. Недостатки и ограничения такого подхода хорошо известны и отмечены рядом иссле-
дователей [ 1 ]. Интерпретация полученных при таком подходе результатов может приводить к неадекватным выводам; получаемая информация не дает представления о значении отдельных стадий химического процесса; увеличение размеров кинетической схемы не приводит к повышению точности решения, если константы скорости каких-либо реакций определены недостаточно надежно; избыточность входных параметров приводит к увеличению времени расчетов.
Поэтому главной задачей при рассмотрении кинетических схем является создание или использование существующих наиболее достоверных и компактных механизмов химического взаимодействия.
Спектр топлив, используемых в газотрубных котлах, широк. Среди наиболее часто используемых — газообразные и жидкие. Но общим для этих видов топлив является то, что их реакции горения являются цепными. В цепных реакциях исходные реагенты превращаются в конечный продукт не непосредственно, а через стадии образования активных промежуточных продуктов.
Существует следующий способ формирования кинетических схем [ 1 ].
Первым этапом является выявление набора стабильных частиц и продуктов их диссоциации, входящих в состав конечных продуктов.
Перечень таких веществ можно определить на основе результатов анализа экспериментальных данных и результатов термодинамического расчета. Широко используемые в настоящее время программные
комплексы и информационные обеспечения (например, программные комплексы «АСТРА» [1], АЫ-БУБ [2]) существенно облегчают выполнение этой задачи.
На втором этапе выполняется анализ процесса преобразования исходных компонентов. Целью такого анализа является поиск наиболее вероятных в конкретных условиях (диапазоны температур и давлений, соотношение компонентов) элементарных стадий химического процесса. Полученная на этом этапе информация позволяет дополнить перечень частиц, участвующих в реакциях, а также предварительно оценить размер системы уравнений изменения концентраций индивидуальных веществ.
На третьем этапе проводится более детальный анализ химичес-кого процесса, направленный на оптимизацию набора реакций. Особенно важным становится этот этап при использовании кинетических схем в решении многомерных задач. Как правило, следует учитывать наиболее важные реакции, исключая из механизмов второстепенные реакции, с участием частиц, имеющих низкую концентрацию на всех стадиях и, в связи с этим, не играющих определяющую роль в химическом процессе.
Наиболее полно изучен механизм цепной реакции горения водорода. Горение углеводородных соединений исследовано только для реагентов с относительно небольшой молекулярной массой [3].
Рассмотрим реакции окисления, используемые при расчетах процессов горения в программном комплексе АЫБУБ-СРХ [2]. Наиболее общим для большинства реагирующих газообразных систем кинетических схем, являются реакции с участием простых углеводородных соединений, таких как метан СН4.
Приведем основные уравнения [2,3]:
1. СЯ4 + 02 = СЩ + НОг
2. СН3 + 02 = СН20 + ОН;
3. ОН + СН4 = СН3 + Н20;
4. ОН + СН20 = НСО + Н20;
5. 02 + СН20 = НСО + Н02,
6. 02 + НСО = СО + но2,
7. Н02 + СН4 = Н2Ог + СН3;
8. но2 + сн2о = Н2Ог + НСО.
Реакция 1: первичное зарождение цепи — появляются метил СН3 и Н02 радикал. Реакция 2: образование активных промежуточных продуктов —формальдегида СН20 и гидроксила ОН. Реакции 3 — 5,8: активные продукты ОН и СН20 реагируют между собой, с
метаном, кислородом и с НОг. Реакции 6,7: радикалы НСО и Н02 реагируют с исходными продуктами, образуя перекись Н202, метил СН3, НОг и СО.
Так как в уравнении 6 образуется СО, то все реакции, относящиеся к горению СО, могут быть записаны и здесь.
Рассмотрим вопросы горения жидкого топлива в топках газотрубных котлов. Подобные топлива, полученные на основе переработки нефти, относятся к многокомпонентным жидкостям. В связи с этим при проведении теоретических исследований параметров рабочих тел большое значение имеет способ представления данных об элементном составе топлива. Для проведения термодинамического расчета элементный состав целесообразно представлять условной химической формулой. Для кинетических расчётов, возможно включать в механизм химических реакций бруттореакцию типа «горючее + окислитель = продукты». Одним из путей решения данного вопроса является представление конкретного топлива в виде его многокомпонентного аналога [1]. Для подбора вещества используется информация о фракционном и групповом углеводородном составе подобных топлив.
Рассматриваемый в данной статье механизм химических реакций ориентирован на горение модельного аналога дизельного топлива в воздушной среде и был использован для проведения численных исследований с использованием программного комплекса АЫБУБ-СРХ [2]. Предлагаемый механизм имеет модельный характер и отражает лишь один из возможных путей сложного химического процесса. Дизельное топливо в приближении может быть представлено модельным аналогом, состоящим из углеводородов — С12Н23. Химическая реакция горения этого вещества запишется:
СпН23+ 17,75 02 = 11,5Н20 + 12СОг.
Следующей важной группой реакций являются реакции, описывающие образование термической окиси азота, характерные для реагирующих систем, где в качестве окислителя используется воздух, а в состав топлива входят водородосодержащие соединения. Данные реакции используются при расчетах процессов горения в программном комплексе АЫБУБ-СРХ [2].
При сжигании органических топлив в топках котлов азот, содержащийся в топливе и воздухе, взаимодействуя с кислородом, образует оксиды: N0;. N0 + М?2+
МО.Ма55 Ргасйоп (Р1апе 1)
1.520е-00б
0-200_СГ400 (т)
0 100 0.300
Рис. 2. Распределение концентраций ЛЮ,в топке
Основная доля образовавшихся в продуктах сгорания паровых и водогрейных котлов ЫОх (95...99 %) приходится на монооксид (оксид) азота N0. Диоксид N0-2 и гемиоксид М20 азота образуются в значительно меньших количествах.
Образование монооксида (оксида) азота при сжигании органических топлив происходит как за счет окисления азота воздуха так и за счет окисления азота, содержащегося в топливе. В настоящее время известны три механизма, по которым происходит образование оксидов азота: термический, быстрый и топливный. При образовании термических и быстрых соединений N0 — источником азота является воздух, а в случае образования топливных N0 азотсодержащие составляющие топлива.
Механизм образования термических оксидов азота был предложен Я. Б. Зельдовичем [2,3,4] и включает следующие реакции:
О + ЛГ2 = ЛЮ + N.
ы+о2 = ыо + о.
Позднее он был дополнен реакцией атомарного азота с гидроксилом и получил название расширенного механизма Я. Б. Зельдовича:
ОН + М = ЫО + Н.
Реакции образования термических N0 характеризуются высокой энергией активации, поэтому образование оксидов азота происходит в области высоких температур, превышающих 1800 К. Концентрация термических N0 интенсивно возрастает от начала зоны горения и достигает наибольших значений непосредственно за зоной максимальных температур. Далее по длине факела концентрация оксидов азота практически не изменяется. Реакции образования термических N0 характеризуются высокой энергией активации, поэтому образование оксидов азота происходит в области высоких температур, превышающих 1800 К. Концентрация термических N0 интенсивно возрастает от начала зоны горения и достигает наибольших значений непосредственно за зоной максимальных температур. Далее по длине факела концентрация оксидов азота практически не изменяется.
Исследования по сжиганию углеводородных топлив, проведенные Фенимором [4], показали, что во фронте пламени за весьма короткий промежуток времени происходит образование оксидов азота по механизму, отличному от предложенного Я. Б. Зельдовичем. Обнаруженный оксид азота был назван быстрым из-за достаточно большой скорости его обра-
зования в корневой части факела. При этом вблизи зоны горения наблюдались значительные количества цианида водорода НСЫ, что объясняется реагированием молекулярного азота с углеводородными радикалами:
СН + Ы2 = НСЫ + N;
НСЫ + 02 = N0 + ...
Реакции образования быстрых оксидов N0 протекают достаточно энергично при температурах 1200... 1600 К, когда образование термических оксидов азота практически не происходит.
Для случая, когда количество доступного кислорода не достаточно, чтобы окислить всё топливо, избыточное топливо может привести к сокращению N0 [2 ]:
N0 + ур Бие1 = 0,5 Ы2 + чстС02 + V тоН20.
В целом — это общее представление. Но очевидно, что увеличение доли рециркуляции приводит к уменьшению выбросов ЛЮх.
В рассмотренных выше химических реакциях установлен механизм конкретных химических процессов. В дальнейшем при проведении численных исследований важной проблемой является выбор Аррениусовских параметров с целью определения удельных скоростей элементарных химических реакций. Константа скорости элементарной реакции зависит от температуры и определяется:
к(Т)= Ае'^.
где Е — энергия активации; А — частотный фактор.
Энергия активации Е близка энергии разрыва связей в молекулах и радикалах углеводородов выбирается на основе данных работы [2]. Предэкспонент А имеет порядок величины частоты молекулярных колебаний (10+нс"') [1,2].
Для расчетов процессов горения газообразного или жидкого топлив в топочной камере газотрубного котла используются соответствующие уравнения реакций окисления СН4 или С12Н23 и N0,. Данные реакции дополняются математическими уравнениями турбулентного тепломассопереноса, имеющие название к-Е модели [2,5].
На рис. 1,2 приведены результаты расчетов данной системы уравнений в трехмерной постановке с использованием программы АЫБУБ СБХ [2]. Объект исследования — топка котлоагрегата небольшой производительности цилиндрической формы размером 0,5x1,0 метров. В правой вертикальной плоскости располагается вход (горелка), в левой — выход для
продуктов сгорания. В качестве топлива используется природный газ с преобладанием метана (98%), окислитель — воздух. Расход топливовоздушной смеси — 0,06 кг/с. Фронт горения кинетический. Необходимо отметить, что область ограниченная изотермой, на которой температура максимальна, является зоной, где происходят реакции окисления метана с выделением теплоты (рис. 1). Также по всему объему в зависимости от температуры происходит образование молекул термического или быстрого МЭХ.
На рис. 1 отображено распределение температур в топке газотрубного котла. Зона, ограниченная линией с максимальной температурой, — факел. Закон изменения температуры газовой смеси в плоскости (и в целом по объему) является сложным. На рис. 2 отображено распределение концентраций №?х в топке газотрубного котла. Области с температурой, превышающей 1800 К, являются областями образования термических оксидов азота (выделены темным цветом и находятся в пределах границ факела). Все остальное пространство имеет температуры ниже 1800 К и заполнено быстрыми оксидами азота, концентрации которого изменяются в широких пределах.
Очевидно, что горение органического топлива в топочном объеме необходимо рассматривать как совокупность взаимообусловленных аэродинамических, тепловых и химических процессов. Очень часто как раз физические факторы оказывают определяющее влияние на полноту сгорания топлива, условия воспламенения, образования оксидов азота. И при неидеальном перемешивании (что рассматривалось выше) аэродинамическими процессами нельзя пренебрегать. А использование явления рециркуляции, вызванное с помощью технических устройств, может привести к уменьшению выбросов NОх.
Библиографический список
1. Горение и течение в агрегатах энергоустановок / В. Г. Крюков [и др.]. - М.: Янус-К, 1997. - 304 с.
2. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. ANSYS CFX Release 11.0/ ANSYS, Inc. // Southpointe 275 Technology Drive. - Canonsburg : PA 15317, 2006. - 312 p.
3. Пашков, Л. Т. Основы теории горения / Л. Т. Пашков. — М.: Изд-во МЭИ, 2002. - 136 с.
4. Росляков, П. В. Нестехиометрическое сжигание природного газа и мазута на тепловых электростанциях / П. В. Росляков, И. А. Закиров. - М.: МЭИ, 2001. - 144 с.
5. Ненишев, А. С. Модель турбулентности с двумя уравнениями для описания течений реагирующих газов / А. С. Ненишев, А. Г. Михайлов, С. В. Теребилов// Омский научный вестник. — 2010. - №3 (93). - С. 156- 158.
НЕНИШЕВ Анатолий Степанович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теплоэнергетика» .
МИХАИЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика». БАТРАКОВ Петр Андреевич, аспирант кафедры «Теплоэнергетика».
РОМАНЕНКО Дмитрий Сергеевич, аспирант кафедры «Теплоэнергетика».
ТЕРЕБИЛОВ Сергей Викторович, аспирант кафедры «Теплоэнергетика».
Адрес для переписки: e-mail: mikhailovand@yandcx.ru
Статья поступила в редакцию 25.02.2011 г. © А. С. Ненишев, А. Г. Михайлов, П. А. Батраков, Д. С. Романенко, С. В. Теребилов
Информация
Всероссийский студенческий конкурс наукоемких инновационных проектов «Кубок техноваций» 2011
Открыт прием заявок на участие во всероссийском студенческом конкурсе наукоемких инновационных проектов «Кубок техноваций», который в седьмой раз организуется факультетом инноваций и высоких технологий Московского физико-технического института. Конкурс помогает проектным командам найти финансирование для превращения идей в работающий бизнес.
В 2011 году «Кубок техноваций» будет состоять из двух секций: конкурс «Научные коммерциализуемые идеи» и конкурс «Инновационные технологические проекты». В каждой секции подать заявку могут студенты, аспиранты и выпускники вузов России или стран СНГ, имеющие научно-технические разработки. Технологическая идея — это основной критерий оценки проектов, которые в рамках конкурса рассматривает жюри — ведущие менеджеры и предприниматели в области инноваций и технологического бизнеса в полуфиналах и финале конкурса, который пройдёт в 11 ноября в Москве.
Финалисты обеих секций смогут принять участие в образовательной программе , в которой профессиональные лекторы расскажут о секретах бизнес — планирования, управления и маркетинга инновационных проектов. Также в образовательной программе будет оказаны юридические и бухгалтерские консультации для участников. Каждая команда получит ментора из ведущих российских инновационных компаний или венчурных фондов.
Победители конкурса получат денежные призы от 50 000 до 100 000 рублей. Участники могут получить различные возможности от партнеров конкурса: от краткосрочных образовательных программ бизнес-школы «Сколково» и бесплатного программного обеспечения Microsoft до профессиональной подготовки презентаций и стажировок в крупных технологических компаниях.
Прием заявок на секцию «Студенческие технологические идеи» заканчивается 15 июня, на конкурс проектов — 20 сентября.
Подать заявку и узнать более подробную информацию можно на сайте: technocup.ru
Генеральными спонсорами конкурса являются ОАО «Российская Венчурная Компания» и компания «Synergy Innovation».
Контактная информация: Золотарёв Алексей, тел.: 8 (916)335-6905, e-mail: zolotarev@technocup.ru Подробная информация опубликована на сайте конкурса «Кубок техноваций»: http://technocup.ru/ Источник : http://www.rsci.ru/grants/grant_news/284/229772.php (дата обращения : 15.06.11)
