CC BY
77
УДК 631.365
ПРИБЛИЖЕННАЯ МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧНОСТИ АППАРАТОВ
ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ
М.А. Терещенко, Н.В. Мозговой, И.Н. Мозговой
Приводится приближенная методика расчетов геометрических размеров аппарата пульсирующего горения на заданную мощность, благодаря которой можно получить теоретическую оценку выбросов оксидов азота в атмосферу
Ключевые слова: горение, пульсация, оксид азота
Авиакосмические технологии нашли широкое применение во многих отраслях. Полученные результаты и наработки используются в спорте, медицине, при строительстве, а так же в энергетике. Именно в авиакосмической промышленности для повышения энергоэффективности впервые начал рассматриваться и серьезно изучаться процесс нестационарного горения. Эти процессы, происходящие в камерах
реактивных двигателей, и легли в основу теплоэнергетических установок на основе аппаратов пульсирующего горения.
Они отвечают современным требованиям, которые предъявляются к
теплоэнергетическим установкам. Обладают
такими преимуществами как простота и надежность конструкций, имеют высокий КПД, они более металлоемки по сравнению с аппаратами стационарного горения, а также они являются более экологически совершенными. Остановимся на последнем
преимуществе поподробнее.
Благодаря процессу пульсирующего горения в камере сгорания, топливо-воздушная смесь сгорает наиболее полно. Температурное поле в камере сгорания распределяется более равномерно, чем в котлах факельного горения. В продуктах сгорания отсутствуют составляющие от химического недожога.
Чистота получаемого теплоносителя отвечает самым строгим экологическим требованиям. Например, в некоторых промышленных образцах аппаратов пульсирующего горения концентрация NOx находится в пределах 5-50 мг/м3, тогда как для современных котлов стационарного (факельного) горения этот показатель находится в пределах 100-200
мг/м3.
Теоретические расчеты по концентрациям вредных выбросов, образующихся в аппаратах пульсирующего горения, могут пригодиться на
Терещенко Михаил Александрович - ВГТУ, канд. техн. наук, e-mail: mcclay@mail.ru
Мозговой Николай Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук,
профессор, e-mail: nv_moz@mail.ru
Мозговой Илья Николаевич - ВГТУ, аспирант, тел. (473)
246-76-70
стадии проектирования для оценки пригодности данного аппарата для конкретной цели и задачи.
В работе [2] 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 экологичности 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.
Прежде всего, основные геометрические размеры можно показать так, как они изображены на рисунке.
Последовательность предлагаемой
методики расчета геометрии аппаратов пульсирующего горения:
1. Задается требуемая тепловая мощность (Q, кВт) и выбирается вид топлива (а точнее
теплота сгорания ^, кДж/кг). Так как эта
методика для аппаратов с аэродинамическим клапаном, в качестве окислителя рассматриваем воздух.
2. Определяется требуемый расход топлива.
GT = ———, Ql-Па
(1)
где (гт - расход топлива, кг/с; Т]а -коэффициент использования тепловой энергии.
Схема аппарата пульсирующего горения Ь^, Ь^, Lрт - длина аэродинамического клапана, камеры сгорания, и резонансной трубы соответственно; dкл, dкс, dрт - диаметр аэродинамического клапана, камеры сгорания, и резонансной трубы,
соответственно
3. Определяется объем камеры сгорания, необходимый для сжигания топлива.
Предполагается, что продукты сгорания подчиняются законам идеальных газов. Тогда,
Площадь сечения резонансной трубы и ее диаметр вычисляется по формулам:
Г'
/„,=-------7^, (5)
р -W
/ рт рт
v„=-
mRT
P
. м
(2)
Учитывая, 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, и она будет определяться
выражением:
= <?+Gr}
(3)
где
- действительным расход воздуха,
который по определению коэффициента избытка окислителя находится из выражения:
Gad=a-Zo-GT. (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 значении а.
Одномерный подход к решению задачи не позволяет найти линейные размеры камеры сгорания, поэтому приняты параметрические рекомендации B.C. Северянина [4]
dKC/dpm= 2,12.
4. Определение размеров резонансной трубы.
Исходя из того, что за основу взят резонатор Гельмгольца, а для резонаторов такого типа справедливо выражение:
Л. Тогда длина резонансной трубы
равна четверти длины акустической волны, которую легко найти по известному выражению Л — а/v .
d =
рт
4fv,
(6)
где fpm - площадь поперечного сечения
резонансной трубы, м ; р - плотность
- расход продуктов соотношения:
продуктов сгорания в резонансной трубе, кг/м3; ^рт - скорость продуктов сгорания в
резонансной трубе, м/с; Опс продуктов сгорания. Расход сгорания определяется из
опс=с:+сТ.
Как показывает практика, температура продуктов сгорания в резонансной трубе в среднем на 300 - 400 градусов ниже, чем в камере сгорания [3].
5. Расчет линейной частоты пульсации.
Зная объем камеры сгорания, размеры резонансной трубы и термодинамические свойства газа, можно определить ожидаемую собственную частоту колебаний резонатора Гельмгольца, состоящего из камеры сгорания и резонансной трубы.
а„
V -
Рпс ’ f I
рт
Р
■V •/
рт кс рт
(7)
Для получения корректных результатов производятся итерации по частоте до того момента, пока расхождение не станет менее 5%.
6. Расчет геометрических размеров аэродинамического клапана.
Для упрощения расчетов в методике приняты следующие допущения:
1. Клапан расположен на одной оси с резонансной трубой.
2. Всасывание воздуха в камеру сгорания через клапан происходит за полный период колебания за счет направленного инерционного движения массы газа в резонансной трубе.
3. Выталкивание воздуха из камеры сгорания происходит равномерно за половину периода колебания.
При всасывании воздуха в зону горения, требуемый расход которого для сжигания топлива Одв , площадь всасывания (/вс, м2) получится равной:
Сд
=-----— ■ (Я)
Ре^ес
где ^вс - скорость всасывания, м/с, из условия непревышения распространения
определяется скорости распространения фронта
турбулентного пламени для того, чтобы не было выброса пламени из клапана.
Так как /кл = ./'6. + , а /;б. = то
Ал = Из последнего выражения по
известной формуле можно найти и диаметр
аэродинамического клапана йкл.
Так как площадь клапана получилась существенно больше площади всасывания, то в камеру сгорания будет попадать избыточное
количество воздуха (0'выт). Он и будет выталкиваться из камеры сгорания. Как уже говорилось выше, время выталкивания составляет половину периода.
Если предположить, что вся выталкиваемая масса располагается в аэродинамическом клапане, то зная
твыт= С'выт'Т можно определить длину клапана:
ш
1т=------^ • (9)
Ре ыт ^выт
Следует учесть, что воздух в клапане нагревается примерно на 40°С. Следовательно,
можно рассчитать уточненную колебаний по формуле:
частоту
а
Р*
k-V„,
f
J вы
Pr
■l..
fp,
Pv
.(10)
V,- • r- -l ,
kji kji r pm pm J
Данная методика приближенная, но, тем не менее, позволяет произвести оценочный расчет геометрических параметров АПГ, а так же его основных технологических параметров. На основании результатов, полученных в работе [1], 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.
Литература
1. Терещенко М.А. Модель влияния колебательного процесса на параметры в камере сгорания АПГ с аэродинамическим клапаном / М.А. Терещенко, Н.В. Мозговой // Труды одиннадцатой всероссийской научнотехнической конференции. Воронеж АКТ-2010. С. 355360.
2. Быченок В. И. Метод расчета геометрических размеров устройств пульсирующего горения на заданную тепловую мощность / В.И. Быченок, А.А. Коптев, А.А. Баранов // Вестник ТГТУ, 1998.- Т 4.- № 1. С.59-63.
3. Быченок В.И. Теплоэнергетика рабочего процесса в аппаратах пульсирующего горения / Дис. ... д-ра техн. наук : 05.14.04 : Воронеж, 2004 350 с. РГБ ОД, 71:05-5/494
4. Акулич П.В. Исследование камеры пульсирующего горения / П.В. Акулич, П.С. Куц, В.К. Самсонюк, В.С. Северянин, В.Д. Слижук // Инженернофизический журнал. Минск. - 2000, Том 73, №3. - С. 493 -496.
Воронежский государственный технический университет
THE APPROXIMATE METHODOF ECOLOGICAL ASSESSMENT OF PULSATING
COMBUSTION DEVICES
M.A. Tereshchenko, N.V. Mozgovoy, I. N. Mozgovoy
It presents an approximate method of calculation of geometric dimensions of the pulsating combustion devices at a given power, by which one can obtain a theoretical emissions of nitrogen oxides in the atmosphere
Key words: burning, pulsation, nitric oxide
