Проблема осадкообразования в энергетических установках многоразового использования на жидких углеводородных горючих и охладителях

В. А. Алтунин, К. В. Алтунин, Ф. М. Галимов,

Ю. Ф. Гортышов, Ф. Н. Дресвянников, Л. С. Яновский

ПРОБЛЕМА ОСАДКООБРАЗОВАНИЯ

В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ МНОГОРАЗОВОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

НА ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГОРЮЧИХ И ОХЛАДИТЕЛЯХ

Ключевые слова: осадкообразование, энергоустановка многоразового использования (ЭУ-МИ), жидкое углеводородное горючее (УВГ), жидкий углеводородный охладитель (УВО). deposit formation, reusable power plant (RPP), liquid hydrocarbon fuel, liquid hydrocarbon

coolant.

Данная научная статья освещает проблему осадкообразования, которая в настоящее время является одной из важнейших проблем в многоразовых энергоустановках на жидких углеводородных горючих и охладителях. Рассмотрены некоторые переменные факторы, играющие заметную роль в процессе отложения осадка. Сделаны некоторые шаги с целью борьбы и предотвращения этого опасного теплового процесса.

The paper highlights the problem of hydrocarbon deposit formation that is undoubtedly one of the most important up-to-date problems occurring in reusable power plants on liquid hydrocarbon fuels and coolants. Some physical variables are observed to play the most significant roles during hydrocarbon deposit formation.

Some steps have been made to prevent and fight against this dangerous heat process.

Проблема осадкообразования в энергетических установках (ЭУ) многоразового использования (ЭУМИ) на жидких углеводородных горючих (УВГ) и охладителях (УВО) является актуальной и до конца неисследованной [1-17]. К наземным ЭУМИ и техносистемам на жидких УВГ и УВО можно отнести [1-3, 8-10, 13, 14]: горелочные устройства (ГУ), теплообменные и процессорные аппараты (ТА, ПА), применяемые в энергетической, нефтегазовой, химической, строительной и других отраслях промышленности; газотурбинные двигатели (ГТД), применяемые в транспортной отрасли, в подвижных и стационарных электроэнергетических комплексах и системах; конверсионные воздушно-реактивные, жидкостные ракетные двигатели (ВРД, ЖРД), используемые для добычи тяжёлых нефтей, для маневрирования и экстренного торможения экранопланов, в научноисследовательских работах; подвижные и стационарные ядерные реакторы (ЯР) с жидкостным углеводородным охлаждением. К ЭУМИ аэрокосмического и космического базирования на жидких УВГ и УВО можно отнести [1, 2, 8-10, 13, 14]: различные базовые (маршевые) ВРД, ЖРД, комбинированные силовые установки (КСУ); теплообменные аппараты (в том числе с ЯР); вспомогательные ЭУМИ (малой тяги) - ВРДМТ, ЖРДМТ и др.

Осадкообразование (5ос) - довольно опасное явление, которое может привести к резкому снижению надёжности, долговечности, ресурса и безопасности различных ЭУМИ на жидких УВГ и УВО [4-12, 15-17]. Частичное закоксование форсунок приводит к частичной потере тяги, к нерасчётному струйному распылу горючего, к прогару жаровой трубы, к возникновению пожара и взрыва ЭУМИ и всего летательного аппарата (ЛА), космического летательного аппарата (КЛА) или техносистемы. Полное закоксование - к пре-

кращению горения, к обнулению тяги, к образованию течи горючего, к возникновению пожара и взрыва. То же самое происходит в топливоподводящих и охлаждающих каналах. Слой твёрдого углеродистого осадка (например, в рубашке охлаждения ЖРД) может неожиданно и несанкционированно вызвать резкое и быстрое увеличение температуры греющей стенки с её дальнейшим прогаром, возникновением пожара и взрыва. Осадкообразование является виновником быстрой коррозии деталей топливо-охлаждающей аппаратуры. Из-за осадкообразования значительно быстрее происходит забивка и выход из строя топливных фильтров. Кроме того, процесс осадкообразования способствует заеданию и заклиниванию подвижных деталей системы регулирования ЭУМИ и управления ЛА, КЛА, что приводит к неуправляемости, к разносу ЭУМИ и др. негативным последствиям как в земных, так и в космических условиях.

Другими словами, осадкообразование значительно сокращает и снижает ресурс, надёжность и эффективность наземных, аэрокосмических и космических ЭУМИ, приводит к перерасходу УВГ и штатного времени - для аэрокосмических и космических ЛА (из-за увеличения количества вынужденных включений, например, ЖРД, ЖРДМТ и их комбинаций с целью достижения необходимого суммарного импульса тяги) - для плановых (и внезапно, экстренно - необходимых) операций при смене орбиты, при маневрах при стыковках, при уходе от лазерного прицеливания и удара и т. д., способствует срыву и невыполнению полётного (воздушного, аэрокосмического, космического) задания и к другим негативным последствиям.

Процесс осадкообразования зависит от многих факторов, среди которых основными являются температура УВГ и стенок канала, давление, а также процентное содержание растворённого кислорода [4-12, 15-17]:

5ос _ f (Тст.1 Тж., г 1 р W, М1 П1 Кшер.1 Ко, Кин., Х; ^ Г, Е, т),

где Тст. - температура стенки (канала со стороны УВГ, УВО); Тж. - температура жидкого УВГ, УВО; р - давление в топливно-охладающей системе; W - скорость прокачки УВГ, УВО; М - материал стенки; П - присадки; Кшер. - степень шероховатости поверхности; Ко -насыщенность кислородом; Кин. - насыщенность инертными газами; Х - вид УВГ (УВО), его физико-химические и физико-технические характеристики и свойства; N - число циклов работы ЭУМИ; Г - геометрические характеристики внутренних узлов топливноохлаждающих систем (расстояния между деталями, габариты выемок (лунок) и т.д.); Е -электростатические поля; т - время наработки.

Так, при увеличении параметров: Тст., Тж.,, р, К0, N повышается и толщина слоя осадка. ЭУМИ, как правило, работают при повышенных температурах: элементы топливоподающей системы ГТД, ЖРД могут нагреваться до (920 - 1173)К, а нагреваемая поверхность ядерного реактора с жидким УВГ (УВО) может достигать температуры 673К при различных давлениях: (0,2 - 40 и более) МПа [8].

Обнаружено, что для каждого жидкого УВГ существует температура максимального осадкообразования: для Т-2 - 135 0С; для ТС-1 - 1500С; для Т-1 - 1600С; для Т-5 -1800С. Температура влияет не только на количество образовавшегося осадка, но и на его дисперсионный состав [8, 16, 17]. С повышением нагрева УВГ и УВО размеры частиц осадка в них увеличиваются: от 1-2 мкм до 50-120 мкм (при температурах порядка 500К и выше). Следовательно, представляет опасность забивка топливоподающей и регулирующей аппаратуры интенсивным ростом углеродистых частиц. К примеру, зазоры между дроссельным краном и втулкой в ГТД варьируются от 8 до 12 мкм, а значит, эта система может выйти из строя в ходе нескольких циклов эксплуатации.

В табл. 1 и 2 содержатся данные по компонентам и элементному составу углеводородного осадка в некоторых наиболее известных ЭУМИ.

Обнаружено, что ведущую роль при образовании 5 ос играют ароматические углеводороды: чем выше концентрация ароматических УВГ, тем больше вероятность появления 5ос, состоящего преимущественно из углерода [8, 9, 11, 15, 17]. Содержание ароматических компонентов при применении некоторых реактивных топлив представлено в табл. 3.

Таблица І - Элементный состав осадка в ЭУМИ

Детали ЭУМИ, контактирующие с УВГ Элементный состав осадка, %

С Н О Зола

Детали коллектора ГТД: трубопровод б2,4 б,2 11,б 19,8

корпус бЗ,7 7,G 12,4 1б,9

форсунки бВ,5 5,3 11,8 14,4

ножка форсунки бб,7 б,4 1G,5 1б,4

Участок камеры ЖРД: сопло б2,5 5,9 12,8 18,8

камера сгорания б9,7 5,1 1G,5 14,7

форсуночная головка бб,3 4,G 11,4 18,3

Таблица 2 - Компоненты и состав углеродистого осадка в ЭУМИ

Компоненты Состав осадка, %

осадка Температура стенки, 0С

3GG 4GG 5GG 6GG

Асфальтено- смолистые 1,3-5 З-б 15-35 3G-4G

Смолообраз- ные 9G-98 8G-9G 55-7G 2G-3G

Карбено- карбоидные G,l-G,7 G,2-G,8 2,1G 2G-4G

Влияние материала стенки топливоподающего канала на осадкообразование имеет принципиально важное значение, потому что некоторые металлы являются катализаторами этого процесса, а другие - ингибиторами. Так, авторами [11, 12, 15-17] установлен

9В

следующий ряд металлов-катализаторов окисления: Pb > ^ > Sn > ^ > Al > Fe. А в число металлов-ингибиторов окисления входят такие металлы, как Nb > Zn > N > W > Mg > Mo. В определённой последовательности по удельной каталитической активности располагаются цветные сплавы и стали. Каталитическое действие материалов проявляется в ускорении распада гидропероксидов с образованием свободных радикалов, а тормозящее действие гетерогенных ингибиторов - в многократном обрыве цепей на их поверхности.

Таким образом, зная применяемые материалы, контактирующие с жидким УВГ (УВО), можно эффективно ограничивать процессы окисления, а значит и процесс осадкообразования.

Таблица 3 - Групповой углеводородный и элементарный состав реактивных топлив

УВГ Групповой углеродистый состав, %

Парафи- новые Олефи- новые Нафтено- вые Аромати- ческие С Н

Т-1 ТС-1 РТ Т-8 Т-6 Т-2 24 - 42 42 - 52 53 - 58 21 - 50 12 - 20 40 - 43 1.0 - 1,3 1.1 - 2,0 0,2 - 0,3 1,3 - 1,5 42 - 69 30 - 49 25 - 30 26 - 45 75 - 80 42 - 50 14 - 20 11 - 21 12 - 22 14 - 18 3 - 6 14 - 16 86,2 - 86,5 85.7 - 85,8 85.8 - 86,1 85.8 - 86,0 86.4 - 86,6 85.5 - 85,7 13,5 - 13,7 14,0 - 14,1 13.9 - 14,2 13.9 - 14,1 13,4 - 13,6 14,3 - 14,5

Склонность УВГ (УВО) к образованию углеродистых отложений характеризуется также их термоокислительной стабильностью. Уровень качества топлив по этому показателю зависит от их устойчивости к окислению при нагревании и их склонности к формированию второй фазы. Последняя нарушает гомогенность топлива и приводит к забивке фильтров, отложениям на деталях агрегатов топливных систем ЭУМИ. Эксплуатационное значение термоокислительной стабильности УВГ (УВО) постоянно возрастает, так как с развитием ЭУМИ происходит повышение теплонапряжённости их топливных систем, расширение использования топлива и горючего в качестве УВО (для охлаждения аппаратуры и других техносистем наземного, аэрокосмического и космического базирования). Уровень термоокислительной стабильности зависит от устойчивости топлив к окислению. Установлено, что по мере повышения устойчивости к окислению углеводороды различных классов можно расположить в следующий ряд: непредельные, цикланоароматические, ал-килароматические, цикланы, алканы. С повышением молекулярной массы химическая стабильность углеводородов снижается [11, 12, 15-17]. В табл. 4 представлена термоокислительная стабильность некоторых реактивных топлив.

Известно, что повышению термической стабильности реактивных топлив способствуют различные антиосадкообразующие присадки [8-12, 15-17]: сополимеры эфиров метакри-ловой кислоты, алифатические высокомолекулярные вторичные амины и др. При введении их в топливо в количестве до 0,1 % термическая стабильность увеличивается до 473К.

Однако большинство антиосадкообразующих присадок не влияют на рост углеродистых отложений при больших значениях температур. Тем не менее, создано множество

отечественных и зарубежных разновидностей присадок, хотя полного предотвращения осадкообразования в ЭУМИ при их использовании не происходит.

Экспериментально обнаружено, что степень шероховатости особой роли в процессе осадкообразования не играет, т.к. даже на полированных поверхностях экспериментальных участков (при естественной и вынужденной конвекции жидких УВГ и УВО) образуется слой твёрдого углеродистого осадка. Установлено, что 5 ос перекрывает все микронеровности любой металлической поверхности, а также заполняет углубления искусственной шероховатости и различных искусственных интенсификаторов теплоотдачи [5, 7-10, 17]. Проведённые опыты с разными искусственными оребрениями поверхности показали, что толщина 5 ос не превышает высоты зубьев конусной резьбы.

Скорость прокачки жидкого УВГ несколько увеличивает по времени процесс осадкообразования, особенно при наличии полированной металлической поверхности. Но осадок все равно образуется, т.к. в пристеночном ламинарном подслое скорость жидкости значительно меньше, чем в ядре потока, а на полированной поверхности всегда существуют микронеровности (по Шоттки, по Френкелю), на остриях которых имеются положительные и отрицательные заряды, которые притягивают диполи с дальнейшим процессом осадкообразования [9].

Таблица 4 - Термоокислительная стабильность реактивных топлив

Топливо Содержание, мг/100 мл топлива

нерастворимого осадка растворимых смол

Норма Фактически

Т-1 35* 21 - 31 21 - 28

ТС-1 18* 9 - 15 11 - 14

РТ 6 0,5 - 3 11 - 14

Т-8 6 1,5 - 2 15 - 25

Т-8В 6 0,6 - 3 11

Т-6 6 1 - 3 30 - 40

Т-2 - 10 - 12 27 - 30

* По методу квалификационной оценки.

Особый интерес представляет влияние электростатических полей (Е) на процесс осадкообразования. Установлено, что при температуре более 313К жидкие УВГ и УВО из диэлектриков превращаются в электропроводные среды. Некоторые авторы [15] связывают электризуемость керосина с падением диэлектрической проницаемости. По их мнению, причиной этого является растворённый кислород воздуха и другие гетероорганические соединения, а продукты окисления всегда полярны и имеют значительный дипольный момент. Осадкообразование, как показали эксперименты [8, 9, 11, 12], происходит при росте температуры греющей стенки с 373К, когда в жидком УВГ появляются первые диполи, активно участвующие в этом процессе, что подтверждает гипотезу академика Г.Ф. Большакова об электрической природе осадкообразования.

Экспериментально обнаружено, что электростатические поля (Е) могут успешно предотвращать появление углеродистых отложений при естественной и вынужденной конвекции в зоне прохождения силовых линий Е [9].

Таким образом, в настоящее время крайне необходимым является построение полной модели описания процесса осадкообразования в ЭУМИ на жидких УВГ и УВО. Борьба с осадкообразованием должна вестись уже на начальной стадии проектирования и создания ЭУМИ [4-10] с целью избежания больших экономических трудностей в результате простоя, ремонта ЭУМИ. Для этого нужно знать природу осадкообразования, проводить экспериментальные исследования и правильно и эффективно выбирать способы и методы борьбы с этим негативным явлением.

Данная статья является вступительной и вводной статьёй целого цикла дальнейших публикаций о проблемах осадкообразования в ЭУМИ и техносистемах различного базирования и назначения. Авторы подготовили материалы, связанные с анализом и классификацией способов и методов борьбы с осадкообразованием в различных ЭУМИ и техносистемах, с их новыми научно-техническими решениями, патентами на изобретения и внедрениями в реальные образцы существующих и перспективных ЭУМИ и техносистем.

Литература

1. Авдуевский, В.С. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике / В.С. Авдуевский, Б.М. Галицейский, Г.А. Глебов и др. - М.: Машиностроение, 1975. - 23 с.

2. Алемасов, В.Е. Теория ракетных двигателей / В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин ; под. ред. акад. В.П. Глушко - М.: Машиностроение, 1989. - 464 с.

3. Ахмедов, Р.Б. Основы регулирования топочных процессов / Р.Б. Ахмедов. - М.: Энергия, 1977.

- 280 с.

4. Алтунин, К.В. Пути усовершенствования жидкостных форсунок ВРД/ К.В. Алтунин // Матер. докл. XVI Международ. молодёжной научн. конф., посвящ. 120-летию со дня рождения авиаконструктора, академика А.Н. Туполева «Туполевские чтения». - Казань: Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, 2008. Т.1. - С. 234-235.

5. Алтунин, К. В. Предотвращение осадкообразования при тепловых процессах в энергетических установках/ К.В. Алтунин // Матер. докл. XVII Международ. молодёжной научн. конф. «Туполевские чтения».- Казань: Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, 2009. Т.1. - С. 205-207.

6. Алтунин, К.В. Разработка новой конструктивной схемы форсунки воздушно-реактивного двигателя/ К.В. Алтунин // Матер. докл. XVII Международ. молодёжной научн. конф. «Туполевские чтения». - Казань: Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, 2009. Т.1. - С. 264-266.

7. Алтунин, К. В. Конструктивные возможности борьбы с осадкообразованием в энергетических установках многоразового использования на жидких углеводородных горючих/ К.В. Алтунин, Ю.Ф. Гортышов // Матер. V Всеросс. научно-технич. конф. «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» («АНТЭ-2009»). - Казань: Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, 2009. Т.1. - С. 636-640.

8. Алтунин, В.А. Исследование особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в энергетических установках многоразового использования / В.А. Алтунин. Книга первая.

- Казань: Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина, 2005. - 272 с.

9. Алтунин, В.А. Исследование влияния электростатических и магнитных полей на особенности теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям / В.А. Алтунин. Книга вторая. - Казань: Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина, 2006. - 230 с.

10. Алтунин, В.А.. Некоторые пути увеличения ресурса и надёжности авиационных двигателей и энергетических установок / В.А. Алтунин, Ф.М. Галимов, Ю.Ф. Гортышов, Л.С. Яновский // Сб. матер. V Всеросс. научно-технич. конф. «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного

транспорта и энергетики» («АНТЭ-2009»). - Казань: Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, 2009. Т.1. - С.357-363.

11. Большаков, Г.Ф. Физико-химические основы образования осадков в реактивных топливах / Г.Ф. Большаков. - Л.: Химия, 1972. - 232 с.

12. Большаков, Г.Ф. Образование гетерогенной системы при окислении углеводородных топлив / Г.Ф. Большаков - Новосибирск: Наука. Сиб. отд., 1990. - 248 с.

13. Гортышов, Ю.Ф. Теория и техника теплофизического эксперимента / Ю.Ф. Гортышов, Ф.Н. Дресвянников, Н.С. Идиатуллин. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - С. 20-99.

14. Гортышов, Ю.Ф. Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом / Ю.Ф. Гортышов., В.В. Олимпиев. - Казань: Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева, 1999. - 176 с.

15. Дубовкин, Н.Ф. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив / Н.Ф. Дубовкин, В.Г. Маланичева. Справочник. - М.: Химия, 1985. - 240 с.

16. Чертков, Я.Б. Топлива для реактивных двигателей / Я.Б. Чертков, Г.Ф. Большаков, Е.И. Гулин.

- Л.: Недра, 1964. - 226 с.

17. Яновский, Л.С. Коксоотложения в авиационных и ракетных двигателях / Л.С. Яновский, В.Ф. Иванов, Ф.М. Галимов, Г.П. Сапгир. - Казань: Абак, 1999. - 284 с.

© В. А. Алтунин - канд. техн. наук, доцент каф. материаловедения, сварки и структурообразующих материалов КГТУ им. А.Н. Туполева; К. В. Алтунин - асп. каф. теоретических основ теплотехники (ТОТ) КГТУ им. А.Н. Туполева, altkonst881@yandex.ru; Ф. М. Галимов - д-р. техн. наук, проф., зав. каф. стандартизации, сертификации и технологического менеджмента КГТУ им. А.Н. Туполева; Ю. Ф. Гортышов - д-р тех. наук, проф. каф. ТОТ, ректор КГТУ им. А.Н. Туполева; Ф. Н. Дресвянников - канд. техн. наук, проф. каф. ТОТ КГТУ им. А.Н. Туполева; Л. С. Яновский -д-р. техн. наук, проф., начальник отдела «Специальные двигатели и химмотология» ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова, г. Москва. 2010.