Оценка воспламеняемости многокомпонентного жидкого топлива как дисперсной топливной системы

6. Евдокимов В.Н., Богорадовский Г.И. К вопросу об оптимальной форме характеристики нагнетателя природного газа // Турбины и компрессоры. - 2001. - № 2 (15). - С. 26-30.

7. Ден Г.Н. Проектирование проточной части центробежных компрессоров. - Д.: Машиностроение, 1980,- 232 с.

8. Евдокимов В.Е.,Корсов Ю.Г.,ЛысюкВ.И. Нагнетатели природного газа. Обзорная информация // Энергетическое машиностроение,- М.: НИИЭинформэнергомаш, 1984,- 44 с.

9. Лапицкий А. Е. О расчете характеристик нагнетателей природного газа по методу ISO // Турбины и компрессоры. - 1997. -№1.- С. 33-34.

10. Рис. В.Ф. Центробежные компрессорные машины.- Л.; Машиностроение, 1981.-351 с.

11. Ден Г.Н., Куликов В.М. О критериях подобия при сжатии реальных газов, моделировании проточных частей и пересчете газодинамических характер истик ЦКМ на иные условия работы // Турбины и компрессоры. - 2000. - № 1 -2. - С. 49-51.

12. R.A. Strub, L. Bonciani, C.J, Borer, M.V. Casey, S.L. Cole, B.B. Cook, J. Kotzur, H. Simon, H, Strite / Штруб, Бончани, Борер, Кейси, Коул, Кук, Коцур, Саймон, Штрите/ Influence of the Reynolds Number on the Performance of Centrifugal Compressors/ Влияние числа Рейноладса на рабочие характеристики центробежных компрессоров/ Энергетические машины, 1988. -N° 4,-с. 63-67.

13.1505389:1991 (Е)Турбокомпрессоры-правила (экспериментального) получения характеристик.

14. Галеркин Ю.Б. Вопросы проектирования проточной части центробежных компрессоров природного газа // Компрессорная техника и пневматика в XXI веке: Доклад. 13-й международ. науч .-технич. конф. по компрессоростроению- Сумы, 2004,- Том 2 -С. 166-188.

ВАНЯШОВ Александр Дмитриевич, кандидат техни-ческих наук, доцент кафедры К.ХМУ, заместитель директора нефтехимического института Омского государственного технического университета. ГУРОВА Татьяна Александровна, студентка группы ВК-510 Омского государственного технического университета.

КОНОНОВ Сергей Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер технического отдела ОАО «Транссибнефть».

НОВОСЕЛЬЦЕВ Дмитрий Александрович, кандидат технических наук, начальник отдела ОАО «Омское моторостроительное конструкторское бюро».

УДК 662.788.5.002:662.951.2 В. Р. ВЕДРУЧЕНКО

В. В. КРАЙНОВ М. В. КОКШАРОВ

Омский государственный университет путей сообщения

ОЦЕНКА ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТИ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ЖИДКОГО ТОПЛИВА

КАК ДИСПЕРСНОЙ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ

В рамках принятых допущений об адиабатных условиях экспериментов выполнен теоретический анализ условий воспламеняемости распыленного многокомпонентного жидкого топлива в топке котельной установки в виде капельного факела. Предлагается описывать начальный механизм воспламенения капельного факела по закономерностям адиабатного процесса с использованием метода Д. А. Франк-Каменецкого.

Проблема более эффективного использования горючих нефтяных остатков и отходов в качестве топлива может быть решена путем превращения их в дисперсные топливные системы (ДТС), в частности, водомазутные эмульсии (ВМЭ) типа вода-масло [1-9]. Однако эффективность применения ДТС определяется такими ее свойствами как стабильность, вязкость, транпортабельность и др. Зависимость основных свойств ДТС от соотношения фаз, вида и качества топлив и других компонентов, дисперсности компонентов, условий приготовления, характера и величины внешних воздействий обусловливает изучение каждой топливной системы в отдельности. ДТС используют в теплоэнергетических,технологических, энерготехнологических процессах и транспортных двигателях. Поскольку ДТС в ряде случаев обладают определенными преимуществами перед натураль-

ными топливами, перспективы и масштабы их применения, на наш взгляд, будут непрерывно расти [3,5]. Это объясняется рядом факторов: увеличением доли углей и тяжелых жидких топлив в энергетике и технологии, привлечением к использованию отходов топливных отраслей промышленности, требованиями защиты окружающей среды, эффективностью их горения. Последний фактор следовало бы назвать первым, т.к. он определяется полнотой сгорания топлива, уменьшением сажеобразования и содержания в дымовых газах продуктов неполного сгорания, а следовательно, экономичностью использования топлива.

В наших работах [10] и др. сформированы системы дифференциальных уравнений для различных режимов и начальных условий динамики распада капель в капельном факеле многокомпонентных жидких топлив (частный случай ДТС), сжигаемых в топках

котельных установок и других топливосжигающих устройствах. Так, для условий не полностью установившихся режимов топливоподачи, распиливания, смесеобразования, тепломассообмена и горения в топке получено выражение для числа х движущихся и "взрывающихся" капель ВМЭ в факеле в данный момент времени (в форме:

где х0 - число капель в начальный момент времени; Р - средняя частота "микровзрывов"; у - интенсивность распада полностью подготовленных к "микровзрыву" капель;

г, г0 - соответственно суммарное и начальное число капель различного состояния.

В дальнейшем нами были выполнены и проанализированы преимущественно качественные решения соотношения (1) и ему подобных [4, 6, 10], в том числе дан кинетический анализ показателя степени в (1).

Если учесть, что в работе [14] проведены значительные по объему и глубине аналитические исследования процессов воспламенения топливных смесей, позволяющие получить количественные соотношения для важнейшего параметра процесса - периода задержки воспламенения г(, учитывая идентичность и общность физико-химических и кинетических явлений при воспламенении и горении в топке, то правомерно выполнить такие исследования и для функции типа (1), в частности для показателя степени правой части выражения (1), рассматривая его в целом как критерий Аррениуса для начальных условий распы-ливания, воспламенения, распада, смесеобразования (смешения), тепломассообмена и горения в топке.

На начальном этапе исследования в работе [14] рассматривались изотермические условия реагирования, т.к. доказательства существования цепного механизма получены в основном из изотермических или почти изотермических опытов. Однако наличие тепловыделения и саморазогрева реагирующей системы вносит существенные изменения в процесс реагирования и значительно изменяет его течение по сравнению с изотермическим.

Основными зависимостями, характеризующими процесс, будем считать зависимости, которые дают изменение температуры и концентрации реагирующих веществ во времени Т={(т) и С=<р(т). В практике чрезвычайно важно знать, какие условия необходимо создать для того, чтобы топливо сгорело в пределах камеры сгорания. Для этого, в частности, необходимо уметь вычислить время сгорания и знать, отчего это время зависит. Особенно важным для последующего анализа, моделирования и расчета процесса горения представляется знание (и более обоснованное задание) значения периода задержки воспламенения как системного параметра процесса.

Пусть камера сгорания (топка) будет в виде закрытого сосуда объемом V, наполненного гомогенной горючей смесью с начальной температурой Т0 и начальным давлением Р0. Тепловой эффект реакции данной горючей смеси Ор. Сосуд окружен адиабатной тепловой изоляцией, т.е. теплоотвода в окружающую среду нет. Допустим, что Т0 и Р0 достаточно высоки и реакция подчиняется закону активных столкновений (закону Аррениуса). Тогда скорость протекания реакции может быть выражена так:

= ,

яг

где Сг, С„ - концентрации горючего и окислителя; т, п - порядок реакции по горючему и окислителю; Е-энергия активации; Л - универсальная газовая постоянная.

Т.к. условия адиабатные, то тепло, выделяющееся в результате реакции за время с1 г, идет на нагрев смеси

¿<2 = -<2р№Ус{т = рсуаг ,

где р - плотность смеси;

с„ - теплоемкость смеси при постоянном объеме.

Разделив переменные и проинтегрировав это уравнение от начальных (С0, Т0) до текущих (С, Т) значений

с т

концентраций и температур = ^{-рс^^^^Т ,

Со V,

получим:

др{с0-с)1

Через бесконечно большой промежуток времени, когда прореагирует вся смесь, температура достигнет максимального значения, называемого адиабатной (теоретической) температурой горения:

та = тй + д11с01{рсу).

Тогда (4) можно представить в виде:

т = {та-тй)^-^- + т0

о

или

та-т _ С

Т -Т ~ С '

Это равенство показывает подобие полей концентраций и температур при адиабатных условиях протекания процесса.

Для дальнейшего анализа удобно перейти к безразмерным величинам. В качестве безразмерных температур и концентраций можно принять отношения их текущих значений соответственно к адиабатной температуре горения и начальной концентрации:

в = Т/Т„  а = С/С0 .

Изменение температуры при этом будет происходить от начальной безразмерной температуры во = Т0/Та до 1, а концентрации - от 1 до 0. Тогда условие подобия полей концентраций и температур можно представить в безразмерном виде:

а =

Исходя из существующих в настоящее время представлений о кинетике реакций горения, нельзя установить определенные значения порядков реакций. Однако для ряда распространенных реакций можно принять та 1, и0,25 • Для упрощения дальнейшего анализа можно принять порядок реакции по недостающей компоненте равным единице, а порядок реакции по избыточной компоненте равным нулю. В таком случае уравнение теплового баланса (3) можно записать в виде:

dr

Q, de

-mm

pc, dr

Переведем его в безразмерный вид, учитывая (7):

— = (1 -9ЛагАгг,в

dç к !

Здесь в качестве безразмерного времени процесса £ принято произведение к0т, т.к. при принятых выше предположениях о порядке реакции к0 имеет размерность 1/с. Величина £/(ЛГа) = Агг называется критерием Аррениуса и является мерой реакционной способности смеси. Чем выше значение критерия Аррениуса, тем более инертной является горючая смесь и тем труднее протекают реакции горения [14].

Для количественного описания явлений горения (периода задержки) первое приближение дает предложенный Д. А. Франк-Каменецким [14] метод разложения экспоненты. В этом методе показатель степени в формуле Аррениуса разлагается в ряд. Для этого он представляется в виде (учитывая, что Ав  в):

Агг Агг

в 90+А6> в

Агг

Агг Агг

Ав =

f, д*!

1 + —

I в0 )

Агг

-3,

где 5 = ^(0-0,).

Тогда можно получить приближенную зависимость:

е~Агг/в » еА"1в°еэ

Отсюда следует, что dв = [вЦАгг^З, а выражение адиабатного периода задержки принимает вид:

{\-9„)Агг

J e-'dS

0 = In--г0 У

Тогда получим:

Если, следуя [14], для сравнительной оценки и качественного анализа принять условно, что в какой-то момент времени в условиях подготовки многокомпонентной смеси ВМЭ состав ее будет гомогенным, принять для двух разных значений начальных температур Т01 = 300 К и Т02= 1000 К, величину £=20000 ккал/кмоль, а также Та = 1600 + Т01, оценить значения реакционной способности (критериев Аррениуса) как

Arrx = E/(RToi ) = 20000/(2  1900) = 5,26

и Arr2 = E/(RTtл ) = 20000/(2-2600) = 3,85 ,

то, интерпретируя показатель степень в правой части уравнения (15) как показатель реакционной способности ВМЭ, после подстановок в (15) получим, что адиабатный период задержки воспламенения та, при низкой начальной температуре в 4,08 раза больше, чем при повышенной принятой температуре. Таким образом, качественно полученный результат не противоречит принятым предположениям о роли и смысле показателя степени в правой части уравнения (15).

Таким образом, значение адиабатного периода задержки воспламенения ДТС в топке определяется как температурными, так и кинетическими параметрами процесса распада капель и воспламенения.

При наличии теплообмена с окружающей средой процесс воспламенения резко изменения [14]. Если в рассмотренном выше адиабатном случае поля концентраций и температур подобны, то при наличии теплообмена необходимо учитывать действительную картину распределения концентраций и температур внутри сосуда.

Из-за теплоотвода температура вблизи стенки меньше, чемв центре сосуда, ат.к. скорость реакции зависит от температуры, то выгорание вещества происходит в центре быстрее, чем у стенок сосуда.

Для решения задачи о тепловом воспламенении при наличии теплоотвода необходимо рассмотреть систему уравнений теплопроводности и диффузии с учетом выделения тепла и расхода вещества в результате химического реагирования. Граничные условия должны выражать отвод тепла к стенкам и учитывать непроницаемость стенок для реагирующих веществ. В простейшем случае одномерной задачи для сосудов разной формы уравнении теплопроводности

й2 Лп!ва

с

Ъш)

(\-в0)Агг

dT _ (д2Т пдТ

<14' РС^ = Я U^âv"

+Qxcn;c:e

.£/

После преобразований и обратных принятых смысловых подстановок уравнений (1), (5)-(7) с учетом физико-кинетических параметров процесса в топке выражение (14) можно записать для адиабатного периода задержки воспламенения многокомпонентной смеси ВМЭ в таком виде:

(т0/та)2

„у

О-Гв/Гв)£

уравнение диффузии

dT

rd2T пдтл

дх2

X о.г

-КС; с" г

ЕЦЮ)

Взаимосвязь кинетических параметров процесса была получена нами ранее [ 10] в форме:

Граничные условия: прилг=0 dС/с£с = 0, дЦдх - 0 .

При х=г В дС/дх = 0, -Я дТ/Зх = а [Тср - Тш).

Начальные условия определяются заданием Т= Т0 и С=С0при г=0.

Аналитическое решение полной системы уравнений получить нельзя. Поэтому на практике при анализе условий воспламенения пользуются двумя упро-

щенными теориями: нестационарной и стационарной [14,15].

В нестационарной теории считается, что тепловая конвекция значительна, концентрации и температуры внутри сосуда выровнены и имеют какие-то средние по всему сосуду значения, изменяющиеся во времени. В уравнении баланса тепла учитывается отдача тепла стенкам. В случае воспламенения после периода задержки наблюдается резкое повышение температуры во времени до тех пор, пока не израсходуются запасы реагирующих веществ.

В стационарной теории принимается во внимание переменность температуры и концентрации по сечению сосуда, но не учитывается изменение их во времени. При большой величине теплоотвода воспламенение не наступает и в сосуде устанавливается квазистационарное распределение температур [14].

Если уменьшить теплоотвод (или увеличить тепловыделение), то при некоторых условиях квазистационарное состояние нарушится, и смесь начнет нагреваться. Переход от квазистационарного состояния к нестационарному и будет означать воспламенение смеси.

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

1. ВМЭ (частный случай ВТЭ), являющуюся ДТС, следует рассматривать как новый вид жидкого топлива со своими специфическими физико-химическими, энергетическими, теплофизическими и эксплуатационными свойствами.

2. Показатель степени в уравнении динамики распада капель капельного факела ВМЭ, сгорающего в топке котла, предлагается интерпретировать как критерий Аррениуса, характеризующего реакционную способность ВМЭ.

3. Предлагается описывать начальный механизм воспламенения капельного факела в топке по закономерностям адиабатного процесса с соответствующей оценкой периода задержки воспламенения с использованием метода Д. А. Франк-Каменецкого.

4. Для аналитического описания воспламенения капельного факела ВМЭ с учетом теплоотвода при тепловом воспламенении необходимо совместное решение уравнений теплопроводности и диффузии.

5. Необходимо накопление и обобщение как статистических данных, так и проведение экспериментальных исследований по рассматриваемой проблеме.

Библиографический список

1. Иванов В. М. О механизме горениядисперсныхтопливных систем / В. М. Иванов, И. В. Радовицкий, В. А. Ценев // Химия и технология топлив и масел. 1985. №6. С. 18 - 20.

2. Ребиндер П. А. Поверхностные явления в дисперсных системах. М., Наука, 1978. 368 с.

3. Ведрученко В. Р. Особенности структуры и эксплуатационные свойства естественных и искусственных водотоплавных эмульсиймя энергетических установок / В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, М. В. Кокшаров // Вестник Ростовского гос. ун-та путей сообщения. Ростов-на-Дону, 2001. № 2. С. 53 - 56.

4. Ведрученко В. Р. Влияние химико-кинетических факторов на экологические показатели котельной установки при сжигании мазута и водомазутиой эмульсии / В. Р, Ведрученко, В. В. Крайнов, А В. Казимиров // Омский научный вестник. Омск, ОмГТУ, 2003. Вып. 1. С. 27-30.

5. Крайнов В. В. Улучшение энергоэкологических показателей котельных установок предприятий железно-дорожного транспорта сжиганием водомазутных эмульсий, Автореф. дисс. канд. техн. наук. Омск, ОмГУПС, 2000. 22 с.

6. Ведрученко В. Р. Физико-химический анализ термохимических характеристик продуктов сгорания жидких углеводородных топлив / Ведрученко В. Р., Крайнов В. В., Казимиров А. В.// Вестник СибАДИ. Вып. 1. Сибирская гос. автомобильно-дорожная акад. Омск, Издательский дом "ЛЕО", 2004. С. 93 - 98.

7. Эмануэль Н. М. Цепные реакции окисления углеводородов в жидкой фазе / Н. М. Эмануэль, Е. Т. Денисов, 3. К. Майзус. М., Наука, 1965.375 с.

8. Тув И. А. Сжигание обводненных мазутов в судовых котлах/И. А. Тув, Л., Судостроение, 1968. 196 с.

9. Кустов В. Ф. Топливные суспензии / В. Ф. Кустов. М., Изд-воАН СССР, 1942. 184 с.

10. Ведрученко В. Р. Теоретический анализ динамики распада капель в капельном факеле водомазутной эмульсии как топливе для котельных установок / В. Р. Ведрученко, В. В, Крайнов, А В. Казимиров // Энергосистемы, электростанции и их агрегаты: Сб. науч. тр. Вып. 8. Новосибирский гос. техн. ун-т. Новосибирск, 2004. С. 201 -220.

11. Гладков О. Л. Создание малотоксичных дизелей речных судов/О. Л. Гладков, Е. Ю.Лерман.Л., Судостроение, 1990.112 с.

12. ВерховскийН. И. Сжигание высокосернистого мазута на электростанциях / Н. И. Верховский, Г. К. Красноселов, Е. В. Машилов и др. М„ Энергия, 1970. 447 с.

13. Савоськин М. Ю. Разработка критерия реакционной способности кускового твердого топлива как параметра качества топлива / М. Ю. Савоськин, Ю. В, Овчинников, В. В. Пак // Энергосистемы, электростанции и их агрегаты: Сб. науч. тр. Вып. 8. Новосибирский гос. техн. ун-т. Новосибирск, 2004. С. 262 - 268.

14. Померанцев В. В. Основы практической теории горения / В. В. Померанцев, К. М. Арефьев, Д. Б. Ахмедов и др. Д., Энергия, 1973.264 с

15. Хзмалян Д. М. Теория топочных процессов/Д. М. Хзма-лян.М., Энергоатомиздат, 1990.352 с.

ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика». КРАЙНОВ Василий Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика». КОКШАРОВ Максим Валерьевич, старший преподаватель кафедры «Теплоэнергетика».