CC BY
11УДК 683.878.2
БОТ: 10.18698/2308-6033-2021-10-2119
Разработка новой методики расчета толщины слоя углеродсодержащих осадков в топливных каналах тепловых двигателей и энергоустановок
© К.В. Алтунин
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева — КАИ, Казань, 420111, Россия
Статья посвящена теоретическому исследованию, связанному с разработкой новой методики расчета толщины слоя углеродсодержащих осадков. Рассмотрены проблема осадкообразования в тепловых двигателях и энергоустановках, а также основные факторы, от которых оно зависит, включая материал стенки, температуру, время и число циклов эксплуатации и др. Приведены некоторые теплофи-зические свойства осадков в топливных системах разных тепловых двигателей. В процессе обзора и анализа научно-технической литературы не найдено методик расчета толщины углеродсодержащих осадков на нагретых металлических стенках, учитывающих электрические свойства стенки и осадка. Разработаны новые формулы расчета толщины, скорости осадкообразования, учитывающие тепловую и электрическую природу этого процесса. На базе данных формул создана новая методика расчета толщины слоя углеродсодержащего осадка на металлической стенке любого топливного канала теплового двигателя или энергоустановки на жидком углеводородном горючем или охладителе. Выполнена успешная апробация новой методики путем проведения экспериментальных исследований кипения авиационного керосина в объеме, в ходе которой проявился ряд особенностей, связанных с применением новых формул. Универсальность предложенной методики заключается в том, что она подходит для подсчета осадкообразования практически во всех тепловых двигателях и энергоустановках при различных условиях эксплуатации топливной системы и составах металлических стенок, а также при разных значениях скоростей прокачки, давления, температурных режимов внутри топливно-подающих и охлаждающих каналов.
Ключевые слова: осадкообразование, удельное электрическое сопротивление, температура, пористость, жидкие углеводородные горючие и охладители, угле-родсодержащий осадок
Введение. Известно, что термин «осадкообразование» появился во второй половине XX в. в связи с интенсивным применением реактивных топлив. Впервые он встречается, например, в книге Я.Б. Черткова [1]. Процесс осадкообразования в жидких углеводородных горючих (УВГ) и охладителях (УВО) в большинстве случаев оказывает негативное влияние на работу двигателей и энергоустановок (ЭУ) наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования. Так, в США только для обычного нефтеперерабатывающего завода ежегодные затраты составляют до 10 млн долл. [2]. Аналогичные проблемы отмечаются в теплоэнергетике, ракетостроении и в авиации [3].
Следует отметить, что процесс осадкообразования в топливной системе ВРД вызывает заседание золотников в насосах-регуляторах. Это приводит к «зависанию» оборотов двигателя при частоте вращения 60.. .70 % от максимальной, к неуправляемости, повышению времени приемистости или его помпажу, к самовыключению двигателя на земле или в воздухе, а также к частичному или полному закупориванию форсуночных фильтров и форсуночных каналов, что становится причиной частичной или полной потери тяги [4, 5].
Процесс осадкообразования в жидкостном ракетном двигателе (ЖРД) вызывает такие негативные явления, как повышение температуры стенки и ухудшение теплоотдачи в рубашках охлаждения и их прогар, закоксовывание форсунок и неправильная организация горения из-за струйного распыла и нерасчетности смешения компонентов, а также частичная или полная потеря тяги, пожар и взрыв двигателя в земных и космических условиях [4]. Осадкообразование возникает не только в реактивных (ЖРД, ВРД и т. п.), но и в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) [6-8].
Процесс образования углеродсодержащих отложений наблюдается также в случае применения различных мазутов в наземных установках. Так, загрязнение поверхности нагрева мазутных подогревателей приводит к резкому, в 5-10 раз, увеличению гидравлического сопротивления, а также к уменьшению коэффициента теплопередачи. Вместе с этим, значительно снижается тепловая мощность подогревателей, что приводит к сокращению их рабочей кампании. При появлении углеродсодержащих отложений на стенках распылителей мазутных форсунок ухудшается распыливание горючего и снижается полнота сгорания топлива [9].
Существующие методы и формулы расчета толщины слоя угле-родсодержащего осадка не подходят для многих режимов эксплуатации топливно-подающих и охлаждающих каналов на жидких УВГ (УВО), так как не всегда бывают точными и не учитывают влияния электрических свойств топлив, стенок и осадков [4, 10, 11].
Цель работы — разработка новой методики расчета толщины слоя углеродсодержащих осадков в топливно-подающих и охлаждающих каналах тепловых двигателей и энергоустановок с учетом тепловой и электрической природы осадкообразования.
Условия возникновения и свойства углеродсодержащего осадка. Исследования в области процессов осадкообразования выявили такую основную закономерность: в жидких УВГ (УВО) образование осадков происходит вследствие повышения температуры их нагрева [4, 10]. С возрастанием температуры также интенсифицируется коррозия металлов [1, 12]. Влияние температуры на размеры частиц осадка приведено в табл. 1. Для каждого жидкого УВГ и УВО
существует температура максимального осадкообразования: для Т-2 — 135 °С, ТС-1 — 150 °С, Т-1 — 160 °С, для Т-5 — 180 °С. Она влияет не только на количество образовавшегося осадка, но и на его дисперсионный состав. С повышением нагрева охладителей и горючих размеры частиц осадка в них увеличиваются от 30 до 120 мкм. Следует отметить, что осадкообразование зависит от многих факторов [4, 13]:
50С = /(Т„, Т, р, Ж, М, П, КШер, К0г, Кин, Х N О, Е, т и др.). (1)
Здесь Тк — температура стенки (канала со стороны УВГ, УВО); Т, — температура жидкого (газообразного) УВГ, УВО; р — давление в топливно-охлаждающей системе; Ж — скорость прокачки УВГ (УВО); М — материал стенки; П — присадки; Кшер — степень шероховатости поверхности; К0 — насыщенность кислородом; Кин —
насыщенность инертными газами; Х — вид УВГ (УВО), его физико-химические и физико-технические характеристики и свойства; N — число циклов работы двигателя, ЭУ; О — геометрические характеристики внутренних узлов топливно-охлаждающих систем (расстояния между деталями, габариты выемок (лунок) и т. д.); Е — электростатические поля; т — время наработки.
Таблица 1
Влияние температуры на размеры частиц осадка в некоторых реактивных горючих
Марка УВГ Температура, °С Общее количество осадка, Распределение осадка на фильтрах, %, при толщине слоя
м2/100 мл 1-2 мк 30 мк 60 мк 120 мк
140 1,2 79,6 1,8 1,0 0
ГФ 160 1,6 75,0 3,4 2,0 1,0
180 1,7 66,9 2,8 1,0 0
220 1,1 47,3 8,6 4,4 2,2
150 1,0 80,0 1,0 0,5 0
Т-7 160 1,3 71,3 1,8 1,1 0
200 1,1 61,0 4,0 2,0 0
Некоторые зарубежные авторы [8] измеряли толщину углеродсодержащих отложений в разных областях камеры сгорания ДВС и нашли средние значения, равные 155.240 мкм. Автор работы [6] получил следующие теплофизические величины осадка:
у = 1100.2000 кг/м3; Ср = 0,84.1,84 кДж/(кгК);
X = 0,17.0,8 Вт/(мК); а = 3,5 10-7 м2/с.
Плотность сплошных отложений (у), образующихся вследствие окисления топлив при течении на каталитически неактивных поверхностях, практически постоянна (у = 1010 ± 50 кг/м3) [10]. Некоторые авторы для проведения расчетов используют плотность сухого кокса Усух = 1000 кг/м3 [13].
Установлено, что коэффициент теплопроводности углеродсодер-жащего осадка (Х^), образованного при кипении УВГ (УВО), для каждого топлива слабо зависит как от времени наработки (в пределах первых 10 ч), так и от температуры стенки. Для РТ и Т-6 коэффициент Хос равен 0,29 ВтЛЖ для парафиновых УВГ — 0,36 Вт^м^) [10].
Автором настоящей статьи проведены экспериментальные исследования в жидком УВГ марки ТС-1, результаты которых показаны на рис. 1, 2. Рабочая пластина без осадка представлена на рис. 1, а, эта же пластина после эксперимента, но уже с осадком — на рис. 1, б.
Рис. 1. Общий вид рабочей пластины из стали марки Х18Н10Т:
а — до эксперимента (без осадка); б — после эксперимента (с осадком)
Характерная поверхность осадка обнаружена при исследовании микрошлифа под микроскопом (см. рис. 2). Экспериментально установлено, что 50С перекрывает все микронеровности любой металлической поверхности, а также заполняет углубления искусственных шероховатости и интенсификаторов теплоотдачи.
Рис. 2. Характерный вид шероховатой поверхности твердого углеродсодержащего осадка на поверхности рабочей трубки
В ходе обзора и анализа научно-технической литературы не были найдены методики расчета толщины углеродсодержащих осадков на нагретых металлических стенках, учитывающие электрические свойства стенки и осадка, а также не обнаружены таблицы и графики с данными зависимостей удельного электрического сопротивления осадков от температуры, давления и других факторов.
Разработка новой методики расчета толщины углеродсодержащих отложений. Следует напомнить, что в 1972 г. отечественный ученый Г.Ф. Большаков впервые выдвинул предположение об электрической природе осадкообразования, а также объяснил многие физико-химические основы этого процесса. Однако до сих пор не предложено единой теории осадкообразования термоэлектрической природы. Согласно гипотезе Г.Ф. Большакова [5], процесс осадкообразования имеет электрический характер, в связи с чем при температуре 313 K в жидких УВГ и УВО появляются заряженные частицы (жидкость становится электропроводящей средой), а при дальнейшем нагреве до 373 K и более в них возникают диполи, которые притягиваются к противоположным зарядам на микронеровностях любой (даже полированной) поверхности, согласно теории Шоттки и Френкеля, и способствуют осадкообразованию [4].
Автором статьи предложено теоретическое обоснование расчета увеличения толщины осадка. В основу этой теории положен метод математической гипотезы, при этом впервые было принято такое понятие, как идеальное осадкообразование, в топливно-подающих и охлаждающих каналах двигателей, ЭУ [14-16]. Несмотря на то что существуют и другие факторы, например, давление, скорость прокачки жидкого УВГ и УВО, материал стенки, шероховатость поверхности и пр. (см. формулу (1)), за идеальное осадкообразование был принят процесс, при котором главными факторами являются температура стенки канала и время эксплуатации двигателя или ЭУ. Наличие фактора времени необходимо, так как способствует нахождению скорости осадкообразования. Таким образом, формула идеального осадкообразования приобретает вид
5ос = кхТм,, (2)
где 5ос — толщина слоя осадка, м; к — коэффициент осадкообразования, м/(с•K); т — время, с; Т„ — температура нагреваемой стенки, ^
Зная толщину слоя осадка, который образуется через определенное время на поверхности нагреваемой металлической стенки, можно рассчитать скорость этого процесса Wж :
<35
W0с , (3)
3т
Wос = кг„. (4)
Ранее автором статьи была выдвинута гипотеза [14] о прямой зависимости скорости роста осадка от электрических свойств материала стенки: чем меньше удельное электрическое сопротивление материала стенки, тем интенсивнее происходит осадкообразование. В частности, эта гипотеза подтверждается фактом существования так называемых металлов-катализаторов (Си, Fe и др.) осадкообразования, которые характеризуются низкими значениями удельных электрических сопротивлений и способствуют повышению скорости осадкообразования [4, 5, 10]. В ходе экспериментов было также установлено, что некоторые неметаллические материалы (керамические материалы, пластмассы и т. п.) с большими удельными электрическими сопротивлениями практически не влияют на осадкообразование на стенках топливно-охлаждающих и подающих каналов.
Поясняя формулу (2), необходимо отметить, что на основании вышеупомянутой гипотезы была разработана формула коэффициента к и раскрыта его природа:
к - Кос (1пРостах - 1пРостек ), (5)
где Кос — эмпирическая константа, которая характеризует условия одного режима, (Ом-с-К)-1; р — максимальное значение удельного
электрического сопротивления конечного слоя осадка, Ом-м; р ос —
текущее значение удельного электрического сопротивления слоя осадка, Ом- м.
Была также разработана методика расчета Кос, состоящая в первоначальной подстановке в формулы (2) и (5) значений 5ос, ,
т, Тм, полученных в ходе эксперимента, причем вместо рос берут
значение р^, равное удельному электрическому сопротивлению материала стенки без осадка (т. е. при первоначальном появлении слоя осадка, который может составлять всего несколько микрометров в самом начале эксплуатации топливного канала, в (5) учитываются значения р и ):
Кос, -
5ос1 ^
■1пр^ ) т1Г„,1 ji
(6)
где Кос — эмпирическая константа, которая характеризует условия г-го режима, (Ом • с • К)-1; 5ос1 — первоначальная толщина слоя осадка на металлической стенке топливно-охлаждающего канала, м; т — время образования первоначального слоя осадка, с; Тм1 — температура
стенки топливно-охлаждающего канала, при которой образовался первоначальный слой осадка, ^
Автором статьи разработана обобщенная формула осадкообразования для п режимов эксплуатации тепловых двигателей, ЭУ одно- и многоразового использования на жидких УВГ и УВО. В данном случае режимом (/ = 1, 2, 3, ..., п) следует считать новое состояние, отличное от предыдущего по одному из физических факторов, за исключением времени и температуры [14-16]:
п п
Е5осг = Е^осг (1пРостах - 1пРосг-1) , (7)
г=1 г=1
где 5ос — толщина /-го слоя осадка, м; Кос. — эмпирическая константа, которая характеризует условия /-го режима (Ом • с • Ю)-1 в случае применения 1про^х и 1прос. 1 м/(с^ ро^ — значение
удельного электрического сопротивления на поверхности предыдущего слоя осадка, Ом • м; тг- — время наработки /-го режима, с;
— температура стенки при /-м режиме, ^
Формула (6) позволяет рассчитать скорость осадкообразования Кос через несколько циклов эксплуатации двигателя или ЭУ на УВГ (УВО), которые включают в себя п режимов:
п
Кос = ЕКос, (1пРостах - 1пРосг-1) Тш. (8)
I=1
Таким образом, скорость осадкообразования на металлической поверхности топливного канала с УВГ (УВО) напрямую зависит от температуры, числа режимов (циклов) и времени эксплуатации теплового двигателя, ЭУ.
Однако формулы (7) и (8) содержат разности удельных электрических сопротивлений, нахождение которых для каждого режима является довольно трудной задачей. На рис. 3 показан один из вариантов изменения значений р при увеличении слоя твердого осадка. Поскольку возможен большой разброс значений р, предлагается использовать натуральный логарифм 1п р (см. рис. 3). Для облегчения расчетов предложено выбирать средние значения удельных электрических сопротивлений, которые можно вынести за знак суммы в формуле (7):
п п
Еб ос = 1пРср ЕКос,ТТм'1. (9)
г=1 г=1
Подобным образом можно получить среднюю скорость осадкообразования Жо
ср
^осср = 1пРср ЕКосгТ™.
(10)
1=1
8ОСпш* 8ОС> ММ
Рис. 3. Зависимость толщины уг-леродсодержащих отложений от удельного электрического сопротивления при определенной температуре нагретой стенки
Для эффективного прогнозирования осадкообразования необходимо экспериментально определить эмпирические константы Кос, характеризующие условия каждого режима и зависящие от многих факторов, которые приведены в формуле (1):
Кос = /(Т„, Т, р, Ж, М, П, Кшер, Ко , Кин, Х, N т и др.). (11)
Применение разработанной методики нахождения Кос является доступным, так как в формуле (6) отсутствуют значения р, Ж, X, М и др. Эти физические параметры уже заложены в Кос, оказывая влияние на толщину слоя осадка через определенное время и при соответствующей температуре. В результате открывается возможность создания баз данных (таблиц, графиков, программ) всех рабочих режимов топливной системы теплового двигателя или ЭУ, содержащих множество эмпирических коэффициентов режима Кос.
Таким образом, используя полученные формулы (6)—(10), можно спрогнозировать рост углеродистых отложений, а также найти скорость этого процесса.
Согласно приведенной на рис. 3 зависимости толщины слоя осадка от удельного электрического сопротивления при одной определенной температуре нагретой стенки Т„, процесс осадкообразования термоэлектрической природы прекратится по достижении максимального удельного электрического сопротивления слоя осадка, соответствующего диэлектрическим материалам. Для удобства инженерных расчетов можно построить подобные графики для разных
температур стенки, начиная с 373 К. При этом значении температуры в жидких УВГ и УВО образуются диполи и начинается процесс активного осадкообразования. Удельное электрическое сопротивление большинства проводников возрастает с повышением темпера-
—8
туры, например, для стали марки 12Х18Н9Т р = 72,3-10 Ом • м при 20 °С, р = 79,2 • 10—8 Ом • м при 100 °С, р = 109,2 • 10—8 Ом • м при 700 °С [17].
Таким образом, можно спрогнозировать рост углеродсодержащих отложений в топливно-подающих и охлаждающих каналах тепловых двигателей, ЭУ одно- и многоразового использования на жидких УВГ и УВО. На базе предложенной методики расчета толщины слоя осадка разработано изобретение [15]. Формула (7) позволяет теоретически рассчитать толщину слоя осадка при разных режимах, температурах стенки и времени эксплуатации. Рост осадка прекратится, когда удельное электрическое сопротивление последнего слоя осадка станет равным максимальному рос :
п п
Е5осг = ЕКос, (1простах - 1просг-1) = Кос1 (1простах - 1пр^ ) + г=1 г=1
+ Кос2 (1простах - 1прос1 ) Т2Т^2 + Кос3 (1простах - 1прос2 ) Т3ТТ + ■ ■ ■ +
+ *ос„ (1простах - 1пРос„-1) ТпТшг, (12)
где р ос = р ос .
■ осп-1 ' остах
Удельное электрическое сопротивление слоя углеродсодержаще-го осадка можно определить не только экспериментально, но и теоретически, например, зная пористость осадка П :
рос = пРт, т + (1 - П)рсух. (13)
где рт т — удельное электрическое сопротивление жидкого УВГ при средней температуре кокса, Ом • м; рсух — удельное электрическое сопротивление сухого кокса, Ом • м.
Проведен расчет рос по формуле (13) при средней температуре
слоя осадка Тт ос, значение рсух заимствовано из [18, 19], рт, п рассчитано на основе данных, взятых из разных источников при начальном значении ртт = 0,58^1010 Ом • м, П = (0,1—0,5) (табл. 2).
По данным, приведенным в табл. 2, построен график зависимости удельного электрического сопротивления слоя углеродсодержащего осадка из ТС-1 от средней температуры при разной пористости (рис. 4).
Таблица 2
Влияние температуры и пористости на удельное электрическое сопротивление углеродсодержащего осадка из керосина ТС-1
1, °с Рос, Ом • м Т, к
П = 0,1 П = 0,2 П = 0,3 П = 0,4 П = 0,5
20 0,067 • 1010 0,125 • 1010 0,182 • 1010 0,24 • 1010 0,297 • 1010 293
100 0,053 • 1010 0,095 • 1010 0,138 • 1010 0,181 • 1010 0,224 • 1010 373
200 0,039 • 1010 0,069 • 1010 0,098 • 1010 0,128 • 1010 0,157 • 1010 473
300 0,03 • 1010 0,05 • 1010 0,071 • 1010 0,091 • 1010 0,111 • 1010 573
400 0,016 • 1010 0,03 • 1010 0,045 • 1010 0,06 • 1010 0,074 • 1010 673
500 0,01 • 1010 0,021 • 1010 0,031 • 1010 0,041 • 1010 0,051 • 1010 773
600 0,007 • 1010 0,014 • 1010 0,021 • 1010 0,029 • 1010 0,036 • 1010 873
700 0,005 • 1010 0,01 • 1010 0,015 • 1010 0,02 • 1010 0,025 • 1010 973
рос-Ю10, Ом м
0,251 0,201 0,151 0,101 0,051 0,001
0 100 200 300 400 500 600 Ттос,°С
Рис. 4. Зависимость удельного электрического сопротивления слоя углеродсодержащего осадка из ТС-1 от средней температуры при разной пористости:
-- — П = 0,1; --- — П = 0,2;-— П = 0,3;........— П = 0,4;-— П = 0,5
Алгоритм разработанной методики расчета толщины слоя осадка заключается в следующем:
1) строится график зависимости рос от средней температуры слоя
осадка Тт ос при определенном давлении, с заданной пористостью, для заданного вида жидкого УВГ (УВО). По графику (например, см. рис. 4) выбирается значение рос , которое сохраняется постоянным в ходе расчета; значение рос также может быть выбрано как самое максимальное из возможных;
2) определяются режимы, их время, температуры стенки. Выполняются расчеты. Используя формулу (6), устанавливают коэффициенты всех режимов Кос ;
3) по формуле (7) рассчитывают общую толщину слоя осадка. При расчете первого слоя (за минимальное время) учитывается удельное электрическое сопротивление металлической стенки р^ , а в других случаях — рос в зависимости от Тос, значение которой берется на поверхности предыдущего слоя осадка (см. рис. 4), или рос в зависимости от толщины предыдущего слоя осадка 5ос (см. рис. 3).
Апробация разработанной методики расчета осадкообразования. При выполнении теоретического расчета толщины слоя осадка по новой методике за основу были взяты экспериментальные данные зависимости толщины углеродсодержащих отложений от наработки (рис. 5) [10]. Параметры эксперимента приведены ниже:
Пористость П.................................................0,1
Давление р, МПа...........................................0,1
УВГ................................................................Керосин марки Т-6
Нагреватель...................................................Трубка
Материал стенки...........................................Сталь марки 12Х18Н10Т
Режим теплообмена при д = 106 Вт/м2........Кипение в объеме
Теплопроводность осадка была Xос = 0,29 Вт/(м-К) (на основе статистических данных при кипении в объеме в течение 10 ч) [10].
350 т„, мин
Рис. 5. Зависимость толщины углеродсодержащих отложений при кипении топлива Т-6 в объеме от наработки при р = 0,1 МПа (нагреватель — трубка 07^0,5; материал — сталь 12Х18Н10Т):
— экспериментальные данные [10]; о — расчет по новой методике (П = 0,1; ростк = 0Д7-1010 Ом-м; Кос. = 1,52-10-12 (Ом-с-К)-1); • — расчет по
новой методике (П = 0,1, п = 0,3-1010 Ом-м, К = 1,4810-12 (Ом-с-К)-1)
По свойствам топливо Т-6 близко к ТС-1, поэтому принято допущение о сходстве осадков в этих УВГ. Поскольку задан режим кипения керосина, то при р = 0,1 МПа температура кипения данного УВГ выбрана Тк = 450 К, при которой для стали марки 12Х18Н10Т р ^ = 85,2-10-8 Ом
•м [17]. Кипение происходило в объеме, температура на поверхности слоя осадка поддерживалась на уровне Тк = 450 К, а металлическая стенка перегревалась, т. е. > Тк из-за увеличения слоя осадка.
Результаты теоретического расчета также показаны на рис. 5.
Согласно рис. 5, за время т = 360 мин и при постоянной пористости осадка П = 0,1, если в формулах (6), (7) использовать значение Ростах = 0,07-1010 [Ом-м], неопределенность, по сравнению с экспериментальными данными [10], составит 21,7 %, тогда как при рос = 0,3-1010 [Ом-м] она будет равна 5,8 %. Это свидетельствует о том, что за максимальное значение удельного электрического сопротивления конечного слоя осадка в (6) и (7) необходимо брать большие значения.
Заключение. В ходе научного исследования создана новая методика расчета толщины слоя углеродсодержащего осадка на металлической стенке любого топливно-подающего или охлаждающего канала теплового двигателя и ЭУ на жидком УВГ (УВО). Впервые методика учитывает не только тепловую природу осадкообразования, но и электрическую при применении удельных электрических сопротивлений металлической стенки и слоя осадка. Разработанная методика основана на ранее выведенной формуле, которая достаточно универсальна и проста для инженерных расчетов, где главными факторами являются время, температура стенки, а также удельные электрические сопротивления стенки и углеродсодержащего осадка.
Проведена апробация этой методики на базе данных эксперимента по замеру толщины углеродсодержащих осадков на металлической стенке при кипении керосина в течение более 6 ч. Сделано два теоретических расчета при одинаковой пористости осадка, но разных максимально возможных электрических сопротивлениях осадков, также найдены коэффициенты режима Кос . Установлено, что в случае
применения большего значения максимально возможного удельного электрического сопротивления осадка повышается точность расчета. Наилучшая неопределенность составила всего 5,8 % по сравнению с результатами эксперимента, проводимого в течение 360 мин.
Универсальность предложенной методики заключается и в том, что ее можно применять для расчета осадкообразования в разных тепловых двигателях и ЭУ на жидких УВГ (УВО). Коэффициенты
режима Кос могут быть найдены на основе экспериментов для разных УВГ (УВО), стенок из различных металлических сплавов, при разных скоростях прокачки, давлении, температурных режимах внутри топливно-подающих и охлаждающих каналов. На основе предложенной методики можно проводить точные расчеты роста осадков, более тщательно прогнозировать время выхода из строя того или иного элемента топливной или охлаждающей системы (в том числе и в теплообменных аппаратах), разрабатывать новые датчики и системы контроля за осадкообразованием, например, на борту летательного аппарата, создавать специальные справочники с указанием коэффициентов режимов К .
Материалы статьи будут полезны для ученых, конструкторов и разработчиков двигателей и энергоустановок одно- и многоразового использования на жидких углеводородных горючих и охладителях наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования.
Намечены пути дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Чертков Я.Б. Современные и перспективные углеводородные реактивные и дизельные топлива. Москва, Химия, 1968, 356 с.
[2] Van Nostrand W.Z., Leach S.H., Haluske J. Economic Penalty Associated with the Fouling of Refinery Heat Transfer Equipment. Washington, 1981, pp. 619-643.
[3] Алтунин В.А., Алтунин К.В., Дресвянников Ф.Н. и др. Проблемы внут-рикамерных тепловых процессов в авиационных, аэрокосмических и космических энергоустановках многоразового использования. Сб. тез. докл. Междунар. научного семинара «Проблемы моделирования и динамики сложных междисциплинарных систем». Казань, Изд-во Каз. гос. техн. ун-та им. А.Н. Туполева, 2010, с. 12.
[4] Алтунин В.А. Исследование особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в энергетических установках многоразового использования. Книга первая. Казань, Изд-во «Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина», 2005, 272 с.
[5] Большаков Г.Ф. Физико-химические основы образования осадков в реактивных топливах. Ленинград, Химия, 1972, 232 с.
[6] Kalghatgi G.T. Combustion chamber deposits in spark-ignition engines: a literature review. SAE, 1995, Paper No. 952443.
[7] Karamangil M.I., Avci A., Bilal H. Investigation of the effect of different carbon film thickness on the exhaust valve. Heat Mass Transfer, 2008, vol. 44, pp. 587-598.
[8] Kelemen S.R., Siksin M., Avery N.L., Rose K.D., Solum M., Pugmire R.J. Gasoline type and engine effects on equilibrium combustion chamber deposits (CCD). SAE, 2001, Paper No. 2001-01-3583.
[9] Алтунин К.В. Разработка горелок повышенной эффективности для тепловых электростанций: монография. Казань, Изд-во КНИТУ-КАИ, 2016, 136 с.
[10] Яновский Л.С., Иванов В.Ф., Галимов Ф.М., Сапгир Г.Б. Коксоотложе-ния в авиационных и ракетных двигателях. Казань, Абак, 1999, 284 с.
[11] Шлякотин В.Е., Шихман Ю.М. Эмпирические модели ресурсной наработки и динамики жидкофазных коксоотложений при нагреве авиационного керосина. Авиационные двигатели, 2019, № 3 (4), с. 57-62.
[12] Алтунин В.А., Монда В.А., Аблясова А.Г., Алтунин К.В. и др. Влияние углеводородных горючих на коррозию деталей энергоустановок и техно-систем многоразового использования в наземных и космических условиях. Матер. докл. 22-й Всерос. межвуз. научно-техн. конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Казань, Изд-во «Отечество», 2010, ч. 2, с. 87-88.
[13] Алтунин К.В., Гортышов Ю.Ф., Галимов Ф.М. и др. Проблемы осадкообразования в энергоустановках на жидких углеводородных горючих и охладителях. Энергетика Татарстана, 2010, № 2, с. 10-17.
[14] Алтунин К.В. Определение скорости осадкообразования в энергоустановках многоразового использования на углеводородных горючих. Матер. докл. 6 Всеросс. науч.-техн. студенч. конф. «Интенсификация тепло- и массообменных процессов в химической технологии», посвящённая 90-летию со дня рождения А.Г. Усманова. Казань, Инновационно-издательский дом «Бутлеровское наследие», 2010, с. 41-45.
[15] Алтунин К.В. Способ прогнозирования осадкообразования в энергоустановках многоразового использования на жидких углеводородных горючих и охладителях. Патент РФ на изобретение № 2467195, кл. F02K 9/00, B64F 5/00, G01N 25/72, G01K 7/02. Бюл. № 32 от 20.11.2012.
[16] Алтунин К.В. Модель идеального осадкообразования в энергоустановках многоразового использования на жидких углеводородных горючих и охладителях. Матер. докл. 18-й Междунар. молодеж. науч. конф. «Тупо-левские чтения». Казань, Изд-во Каз. гос. техн. ун-та им. А.Н. Туполева, 2010, т. 2, с. 66-68.
[17] Удельное электрическое сопротивление от температуры для различных марок сталей и сплавов. URL: https://extxe.com/21002/udelnoe-jelektricheskoe-soprotivlenie-ot-temperatury-dlja-razlichnyh-marok-stalej-i-splavov/ (дата обращения 11.07.2021).
[18] Саранчук В.И., Ошовский В.В., Лавренко А.Т., Кошкарев Я.М. Метод определения величины электрического сопротивления угля в зависимости от температуры. Пауков! пращ донецького нацюнального техтчного ун1верситету. Сер!я: «Х1м1я i х1м1чна технолог!я», 2008, № 134 (10), с. 138-143.
[19] Агроскин А.А., Петренко И.Г. Электросопротивление сланцев и углей при нагревании. Изв. АН СССР. ОТН, 1950, № 1, с. 89-100.
Статья поступила в редакцию 21.07.2021
Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом: Алтунин К.В. Разработка новой методики расчета толщины слоя углеродсо-держащих осадков в топливных каналах тепловых двигателей и энергоустановок. Инженерный журнал: наука и инновации, 2021, вып. 10. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2021-10-2119
Алтунин Константин Витальевич — канд. техн. наук, доцент кафедры «Теплотехники и энергетического машиностроения» КНИТУ им. А.Н. Туполева — КАИ. Область деятельности и научные интересы: теплообмен, теплоотдача в жидких и газообразных углеводородных горючих; разработка новых изобретений (полезных моделей) в сфере теплообмена, транспорта, спорта. e-mail: [email protected]
L
Elaboration of a new calculation procedure of hydrocarbon deposit layer thickness in fuel channels of heat engines
and power plants
© K.V. Altunin
Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev - KAI,
Kazan, 420111, Russia
The article is devoted to theoretical research connected with elaboration of a new calculation procedure for hydrocarbon deposit layer thickness. A common problem of deposit formation in heat engines and power plants is thoroughly investigated. In addition, the wall composition, temperature, time and a number of life cycles, etc. are mentioned as key factors that have direct influence on this heat phenomenon. The paper describes thermophysical properties of deposits in fuel feed systems of different engines. The literature search and analysis did not reveal any similar procedures of calculation of hydrocarbon deposit layer thickness that could be connected with electrical properties of a wall or a deposit. The paper presents new equations for calculating the deposit formation thickness and rate based upon thermal and electrical nature of this process. These new equations led to elaboration of the new calculation procedure of hydrocarbon deposit layer thickness on a metal wall for any fuel channel of a heat engine or a power plant based on liquid hydrocarbon fuel or coolant. The new calculation technique was verified by experiments in aviation kerosene boiling in volume, which clarified special features in the application of new equations. Owing to the universal character of the proposed technique, it can be used for calculating the deposit formation virtually in all the known heat engines and power plants, for various operating conditions, for different metal wall compositions, at various fuel flow rates and pressures, temperature regimes inside fuel-feed and cooling channels.
Keywords: deposit formation, electrical resistivity, temperature, porosity, liquid hydrocarbons, hydrocarbon deposit
REFERENCES
[1] Chertkov Ya.B. Sovremennye i perspektivnye uglevodorodnye reaktivnye i dizelnye topliva [Modern and perspective hydrocarbon and diesel fuels]. Moscow, Khimiya Publ., 1968, 356 p.
[2] Van Nostrand W.Z., Leach S.H., Haluske J. Economic Penalty Associated with the Fouling of Refinery Heat Transfer Equipment. Washington, 1981, pp. 619-643.
[3] Altunin V.A., Altunin K.V., Dresvyannikov F.N., et.al. Problemy vnu-trikamernyh teplovyh processov v aviacionnyh, aerokosmicheskih i kosmich-eskih energoustanovkah mnogorazovogo ispolzovaniya [Problems of intra-chamber thermal processes in aviation, aerospace and space reusable power plants]. Sb. tez. dokl. Mezhdunar. nauchnogo seminara «Problemy modeliro-vaniya i dinamiki slozhnyh mezhdisciplinarnyh sistem» [Proc. of Intern. Scient. Seminar "Problems of modeling and dynamics of complex interdisciplinary systems"]. Kazan, KNITU—KAI Publ., 2010, p. 12.
[4] Altunin V.A. Issledovanie osobennostej teplootdachi k uglevodorodnym goryuchim i ohladitelyam v energeticheskih ustanovkah mnogorazovogo ispol-zovaniya. Kniga pervaya. [Study of the peculiarities of heat transfer to hydrocarbon fuels and refrigerants in reusable power plants. Book one]. Kazan, KSU Publ., 2005, 272 p.
[5] Bolshakov G.F. Fiziko-khimicheskie osnovy obrazovaniya osadkov v reaktivn-yh toplivah [Physical and chemical basis of sediment formation in jet fuels]. Leningrad, Khimiya Publ., 1972, 232 p.
[6] Kalghatgi G.T. Combustion chamber deposits in spark-ignition engines: a literature review. SAE, 1995, paper no. 952443.
[7] Karamangil M.I., Avci A., Bilal H. Heat Mass Transfer, 2008, vol. 44, pp. 587-598.
[8] Kelemen S.R., Siksin M., Avery N.L., Rose K.D., Solum M., Pugmire R.J. Gasoline type and engine effects on equilibrium combustion chamber deposits (CCD). SAE, 2001, paper no. 2001-01-3583.
[9] Altunin K.V. Razrabotka gorelok povyshennoj effektivnosti dlya teplovyh el-ektrostancij: monografiya [Development of high efficiency burners for thermal power plants: monograph]. Kazan: KNITU—KAI Publ., 2016, 136 p.
[10] Yanovskij L.S., Ivanov V.F., Galimov F.M., Sapgir G.B. Koksootlozheniya v aviacionnyh i raketnyh dvigatelyah [Carbon deposits in aircraft and rocket engines]. Kazan, Abak Publ., 1999, 284 p.
[11] Shlyakotin V.E., Shihman Yu.M. Aviatsionnye dvigateli — Aviation Engines, 2019, no. 3 (4), pp. 57-62.
[12] Altunin V.A., Monda V.A., Ablyasova A.G., Altunin K.V., et.al. Vliyanie uglevodorodnyh goryuchih na korroziyu detalej energoustanovok i tekhno-sistem mnogorazovogo ispol'zovaniya v nazemnyh i kosmicheskih usloviyah [Influence of hydrocarbon fuels on the corrosion of parts of power plants and technological systems of reusable use in ground and space conditions]. Mater. dokl. 22 Vseross. mezhvuz. nauchno-tekhn. konf. «Elektromekhanicheskie i vnutrikamernye processy v energeticheskikh ustanovkakh, strujnaya akustika i diagnostika, pribory i metody kontrolya prirodnoj sredy, veshchestv, materi-alov i izdelij» [Proc. of 22nd All-Russ. Ac. Scient. Conf. "Electromechanical and intra-chamber processes in power plants, jet acoustics and diagnostics, devices and methods for monitoring the environment, substances, materials and products"]. Kazan, Otechestvo Publ., 2010, Part 2, pp. 87-88.
[13] Altunin K.V., Gortyshov Yu.F., Galimov F.M., et.al. Energetika Tatarstana -Power Engineering of Tatarstan, no. 2, 2010, pp. 10-17.
[14] Altunin K.V. Opredelenie skorosti osadkoobrazovaniya v energoustanovkah mnogorazovogo ispolzovaniya na uglevodorodnyh goryuchih [Determination of deposition rate in reusable power plants based on hydrocarbon fuels]. Mater. dokl. 6 Vseross. nauchno-tekhn. studench. konf. «Intensifikaciya teplo- i massoobmennykh processov v khimicheskoj tekhnologii» [Proc. of 6th AllRuss. Scient. Techn. Stud. Conf. "Intensification of heat and mass transfer processes in chemical technology"]. Kazan, Butlerovskoe nasledie Publ., 2010, pp. 41-45.
[15] Altunin K.V. Sposob prognozirovaniya osadkoobrazovaniya v energoustanov-kakh mnogorazovogo ispolzovaniya na zhidkikh uglevodorodnykh goryuchikh i ohladitelyakh [Method for predicting sediment formation in reusable power plants on liquid hydrocarbon fuels and refrigerants]. Patent RF, no. 2467195, 2012.
[16] Altunin K.V. Model idealnogo osadkoobrazovaniya v energoustanovkah mnogorazovogo ispolzovaniya na zhidkih uglevodorodnyh goryuchih i ohladitelyah [Model of ideal sedimentation in reusable power plants on liquid hydrocarbon fuels and refrigerants]. Mater. dokl. 18 Mezhdunar. molodyozh. nauchnoj konf. «Tupolevskie chteniya» [Proc. 18th Int. Conf. "Tupolev's Readings"]. Kazan, KNITU—KAI Publ, 2010, vol. 2, pp. 66-68.
[17] Udelnoe elektricheskoe soprotivlenie ot temperatury dlya razlichnyh marok staley i splavov [Resistivity as a function of temperature for various grades of steels and alloys]. Available at: https://extxe.com/21002/udelnoe-jelektricheskoe-soprotivlenie-ot-temperatury-dlja-razlichnyh-marok-stalej-i-splavov/ (accessed July 11, 2021).
[18] Saranchuk V.I., Oshovskiy V.V., Lavrenko A.T., Koshkarev Ya.M. Naukovi praci Donetskogo natsionalnogo tekhnichnogo universitetu. Seriya: "Khimiya i khimichna tekhnologiya" (Research works of the Donetsk national technical university. Series: "Chemistry and chemical technology"), 2008, no. 134 (10), pp. 138-143.
[19] Agroskin A.A., Petrenko I.G. Elektrosoprotivlenie slantsev i ugley pri nagrevanii [Electrical resistance of shale and coal when heated]. AN SSSR. OTN Publ., 1950, no. 1, pp. 89-100.
Altunin K.V., Cand. Sc. (Eng.), Assoc. Professor, Department of Heat Engineering and Power Engineering, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev — KAI. Specializes in heat transfer, heat transfer in liquid and gaseous hydrocarbon fuels; author of inventions (utility models) in the field of heat exchange, transport, sports. e-mail: [email protected]
