CC BY
58
УДК 621.735.004; 621.974.001
СКОРОСТЬ БЕЗМАШИННОГО ВАКУУМИРОВАНИЯ КАМЕРЫ ТЕПЛОВОГО ПРИВОДА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА
И.А. Чечета, В.В. Трухачева, А.Е. Чечета, В.А. Нилов, В.А. Сай
Проанализирована скорость безмашинного вакуумирования ёмкости, заполненной газами в результате сгорания топливного заряда горючей газовой смеси
Ключевые слова: низкий вакуум, хемосорбция
1.1. Сущность задачи. Низкий вакуум имеет большое значение в современном машиностроении и обычно реализуется при помощи специальных вакуумных насосов. При этом замечено, что работа откачивающих насосов характеризуется избыточной медлительностью, а сами насосы имеют повышенную стоимость и ограниченный ресурс работы. С целью устранить эти недостатки кафедра «Технология
машиностроения» Воронежского
государственного технического университета (ВГТУ) успешно провела ряд научнотехнических исследований и в результате сформировала приемлемый для практики вариант хемосорбции, обеспечивающий низкий вакуум в полости заданной камеры [1]. Здесь имеется в виду, что хемосорбция - это процесс поглощения одних веществ (газа, пара, дыма, жидкости) другими веществами за счёт химической реакции между ними .
Анализ применяемых для обработки давлением высокоскоростных молотов (ВСМ)
показывает следующее. Привод этих молотов действует по принципу тепловых двигателей, а именно: в рабочей камере сжигают заряд горючей газовой смеси, накапливая газ высокого давления и удерживая энергетически активные массы, оснащённые обрабатывающим инструментом, в исходном положении. Затем сжатому газу дают возможность расширяться, преобразуя работу расширения в кинетическую энергию инструмента [2, 3].
Чечета Иван Алексеевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел.(473) 222-53-85
Трухачева Валерия Владимировна - ВГТУ, аспирант, тел.(8264)_5-03-75
Чечета Антон Евгеньевич - ОАО «Созвездие», конструктор. тел. (473) 272-26-77
Нилов Владимир Александрович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 270-84-39
Сай Вадим Алексеевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 265-39-90
Эффективность ВСМ существенно повышается, если в системах очистки камеры сгорания и последующей нейтрализации продуктов сгорания используется
хемосорбция. Для её реализации есть исходное условие, а именно: продуктами сгорания углеводородного топлива (например, пропана) являются углекислый газ СО2 и водяной пар Н2О. Дополнительным условием является подключение полости камеры сгорания к полости водного раствора щелочи. Здесь водяной пар конденсируется, а углекислый газ с очень высокой скоростью реагирует со щёлочью и переходит в растворимый солевой осадок. В результате камера сгорания очень быстро очищается от продуктов сгорания. В этом суть безмашинного вакуумирования.
Аналогичное повышение эффективности за счёт применения безмашинного вакуумирования наблюдается и в случае его применения в установках для
термоимпульсного удаления заусенцев, возникающих на пересечениях поверхностей тех деталей, которые подвергались обработке резанием лезвийным инструментом. В таких установках тоже сжигают горючую газовую смесь. Но, в отличие от ВСМ, инструментом для удаления заусенцев термоимпульсным способом является возникающий в процессе горения топлива фронт пламени, который, омывая детали, сжигает заусенцы.
Основой безмашинного вакуумирования является возможность химического
связывания газообразных продуктов сгорания с переводом их в конденсат и растворимый солевой осадок.
Это предопределено тем, что для энергетического привода, как ВСМ, так и установки для термоимпульсной зачистки заусенцев, наиболее рациональным горючим компонентом сжигаемого в камере топливного заряда является пропан-бутан (обычно в соотношении 50% + 50% по массовому составу или 56,95 % С3Н8 и 43,05 % С4Н10 -
по объёму (в рассматриваемом случае анализируется первый вариант).
Смесь этих газов практически не
содержит балласта ядовитых примесей. Именно этим обусловлено широкое применение пропан-бутана как в
производственной, так и в бытовой технике.
1.2. Мольный анализ. Если топливная смесь горит в атмосфере кислорода, то образуется углекислый газ и вода, которая из-за высокой температуры, сопровождающей горение, превращается в перегретый пар. В закрытой ёмкости представляется возможным пар конденсировать, а углекислый газ
преобразовывать в солевой осадок под воздействием щёлочи. Таким образом, химические реакции протекающих
превращений на этапе горения пропан-бутана имеют вид:
С3Н8 + 5О2 ^ ЗСО2 + 4НО;
С4Н10 + 6,502 ^ 4СО2 + 5Н2О.
Для выявления наиболее эффективного процесса горения представляется
необходимым оценивать процессы,
протекающие как при чистом (баллонном) кислороде, так и при кислороде воздуха, то есть в присутствии азота. Горение при чистом кислороде проходит энергичнее, чем в воздухе. Хотя при этом выделяется такое же количество теплоты, как и при горении в
воздухе, но процесс протекает быстрее, а теплота не расходуется на нагревание азота, находящемся в воздухе. Поэтому здесь температура горения значительно выше.
При горении в чистом кислороде количество образующегося вещества составляет:
V = т / М, (1)
где т - масса вещества;
М - молярная масса вещества.
Таким образом, v(С3Н8)=50/44 = 1,136 (моль); v(С4Н10) = 50/58 = 0,862 (моль).
После сгорания образуются: v(С02 )= 3 х v(СзН8)+ 4 х v(С4Нlo) = =3*1,136+4* 0,862 = 6,857(моль);
v(Н20)= 4 х v(С3Н8) + 5х v(С4Н1o) =
= 4*1,136+5 x 0,862 = 8,856 (моль). Общий объём вступающих в реакцию веществ определяется по формуле:
Уп = У х^(СН8) + V(С4Н10) + ^(02 )],
(2)
где У1 - молярный объём вещества, равный 22,4 л/моль.
С учётом конкретных числовых данных расчёт по формуле (2) даёт результат:
Уп: = 22,4 х[1,136 + 0,862 + (5 х 1,136) + +(6,5 х0,862)] = 297,5 (дм3).
Общий объём продуктов сгорания определяется по формуле:
Уи = У хМСО2) + V(Н20)], (3)
из которой следует, что общий объём равен 352 дм3 при [/*=1 атм (=101325 Па) и Т = =273 К].
Объёмные доли С02 и Н20 составляют 43,6 % и 56,4 %, соответственно, а для С3Н8, С4Н10 и О2 - 8,6 %, 6,5 % и 84,9 % , соответственно.
Давление перегретого пара (Н20) в конце окислительно-восстановительной реакции:
РН2С = УНО) хР / [У(С02 )+ У(Н20)] = ^(.Н2О) хР /СО2) + V(Н20)], (4)
где У(Н20) и У(С02) - объёмы воды и углекислого газа, соответственно;
Р - давление в системе; если Р = 5 атм, то давление пара 2,818 атм (2,855 х 105 Па).
В обычных условиях различные газы смешиваются друг с другом в любых отношениях. При этом каждый газ, входящий в состав смеси, характеризуется своим парциальным давлением Рп , то есть давлением, которое осуществляло бы имеющееся в смеси количество данного газа, если бы оно одно занимало при той же температуре весь объём, занимаемый смесью.
В соответствии с законом Дальтона о парциальных давлениях давление смеси газов, химически не взаимодействующих друг с другом, равно сумме парциальных давлений газов, составляющих смесь. Следовательно, в рассматриваемом примере Рп = =2,182 атм.
На следующем этапе химических преобразований газообразных продуктов сгорания (к концу рабочего хода ВСМ) им создают контакт с водным раствором щёлочи ЫаОИ . Это вызывает эффект хемосорбции: идёт конденсация водяного пара и химическое преобразование углекислого газа в солевой растворимый осадок. В результате давление в камере теплового привода ВСМ падает до уровня низкого вакуума.
При химическом связывании поглощается весь СО2 и конденсируется практически вся вода. После конденсации пара при определённой температуре Т наблюдается остаточное давление. Пример возможных численных соотношений параметров представлен в таблице 1.
Аналогично рассмотрен вариант топливного заряда в воздухе (смесь газа с воздухом, то есть «20 % 02).
Объёмные доли Ы2, О2, С3Н8, С4Н10 до сгорания: 77,25 %, 19,31 %, 1,96 %, 1,48 %; такие же доли Ы2, С02 и Н20 после сгорания: 74,16 %, 11,26 %, 14,75%, соответственно.
Таблица 1
Остаточное давление при конденсации пара
Т, оС Остаточное давление пара, Па (атм.) Доля конденсации пара от Рп=2,855х105 Па,%
30 4,2417 х 103 (4,1870 х10-2) 98,5
40 7,3449 х103 (7,2510 х10-2) 97,4
60 19,919 х 103 (19,660 х10-1) 93,0
80 47,359х 103 (46,750 х103) 83,4
(При этом учтено, что в случае стехиометрии между кислородом и пропанбутаном в процессе горения величина возникающей температуры оказывается ниже некоторого критического значения, когда азот способен вступать в реакцию окисления). Изменение доли конденсации пара в присутствии Ы2 представлена в таблице 2.
Таблица 2
Доля конденсации пара в присутствии Ы2
Т, оС Доля конденсации пара от Рп=2,855 х 105 Па, %
30 94,25
40 89,93
60 73,00
80 35,80
Остаточное давление после химического связывания С02 и Н20 равно 3,708 атм (3,756 х105 Па), Остаточное давление после химического связывания СО2 - 4,437 атм (4,49 х105 Па).
Остаточное давление других компонент те же, так как они равновесны с температурой.
Процесс химического связывания СО2 соответствует реакции:
2ШОИ + СО2 = ШСО3 + И2О. (5)
1.3. Скорость реакции. Известно, что в основе химической кинетики лежит закон действующих масс, согласно которому скорость реакции, то есть изменение концентрации реагирующего вещества за единицу времени, пропорционально
произведению концентраций реагирующих веществ в соответствующих степенях. Применительно к рассматриваемому случаю, если считать представленную реакцию (5) необратимой, а температуру - постоянной, то скорость реакции V определяется по формуле:
V = [ЫаОИ]2 х [СО2] , (6)
где [ЫаОИ], [СО2] - концентрация ЫаОИ и СО2, соответственно.
Таким образом, сведения о концентрации вводимой щёлочи даёт представление о скорости реакции.
В свою очередь, скорость реакции предопределяется количеством вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объёма:
V = Ап / У г, (7)
где Ап - количество вещества;
У - единица объёма вещества; г - время..
Тогда из формул (6) и (7) следует, что длительность химических преобразований продуктов сгорания, обусловливающая безмашинный вакуум в закрытом объёме, составляет:
г = Ап / Ух [ЫаОИ]2 х [СО2] . (8)
1.4. Подготовка топливного заряда заключается в составлении исходной стехиометрической смеси горючего топлива и кислорода. Для этого разработана технологическая система смесеобразования внутри камеры сгорания, принципиальная схема которой показана на рисунке. В схеме приняты следующие обозначения:
1, 2 - баллоны горючего газа Г и окислителя О, соответственно; 3, 4 -
электроуправляемые клапаны, способные по команде перекрывать тракты; 5, 6 -
электроконтактные манометры,
обеспечивающие дозирование как газа, так и окислителя; 7 - камера сгорания горючей газовой смеси.
Порядок работы представленной
технологической системы.
1) Настраивают электроконтактные манометры 5 и 6 на расчётную величину начального давления газов Г и О. (Величина начальных давлений определяется
предварительным тепловым расчётом горения стехиометрической смеси горючего и окислителя).
2) Открывают баллоны Г и О имеющимися на них вентилями. При этом клапаны 3 и 4 находятся в положении «Закрыто».
3) Клапан 3 электрической командой переводят в положение «Открыто», и газ сквозь имеющиеся на тракте клапаны одностороннего действия поступает в камеру 7.
4) По достижению в камере 7 назначенного манометром 5 давления имеющийся на манометре электрический контакт замыкается и этим подаётся команда на перевод клапана 3 в положение «Закрыто», а клапана 4 - в положение «Открыто».
5) В положение клапана 4 «Открыто» окислитель поступает в камеру 7, а манометр 6 отслеживает подачу окислителя в камеру 7.
6) По достижении в камере 7 назначенной величины давления электроконтакт манометра 6 передаёт команду на закрытие клапана 4 и последовательно - на систему зажигания (к электросвече), предназначенную для
воспламенения в камере 7 образовавшейся там горючей газовой смеси. (Система зажигания на рисунке не показана).
Определение величины отрезков времени, необходимых для выполнения перечисленных операций анализируемой технологической системы даёт представление об общей величине вспомогательного времени ґв. Тогда время ґбв, затрачиваемое на безмашинное
вакуумирование в целом составляет
(9)
Полученные расчётные формулы для вычисления скорости и времени, затрачиваемого на безмашинное
вакуумирование, дают основание для числовой оценки производительности этого процесса. Кроме того, следует учитывать, что сопутствующим положительным эффектом здесь являются:
- полная очистка рабочего места и окружающей среды от выбросов углекислого газа;
- ликвидация шумового эффекта, обычно сопровождающего работу существующих тепловых двигателей. Это обеспечено тем, что в результате конденсации пара и химического связывания углекислого газа исчезают резкие перепады давления в газовой среде, а именно такие перепады и являются источником шума.
Литература
1. Безмашинное вакуумирование в технологических процессах машиностроения / И.А. Чечета, В. В. Трухачева, А. Е. Чечета, В. А. Нилов// Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т.8. № 12.1. С. 17-22.
2. Чечета И. А. Высокоскоростной импульсный молот //Технология и организация производства. 1976, № 6, с. 13-14.
3. Кононенко В. Г. Высокоскоростное формоизменение и разрушение металлов. - Харьков: Вища школа. 1980. - 232 с.
Воронежский государственный технический университет Воронежское ОАО «Созвездие»
THE SPEED OF A MACHINELESS VACUUMING AT CLEARING CHAMBER
OF THE POWER MOTORS
I.A. Checheta, V.V. Truhacheva, А.Е. Checheta, VA. Nilov, VA. Sаy
The speed of a machineless vacuuming is analyzed. The mathematical models are composed Key words: low vacuum, sorbefacient
