Реферат: Реализация хладоресурса углеводородных топлив в силовых и энергетических установках
-в учебных
курсах авиационных, технологических и энергетических специальностей ВУЗов
(МГФТУ, КГТУ, МАИ, МЭИ и др.).
Основные
положения, выносимые на защиту
Новые
результаты экспериментальных исследований, методик расчета теплообмена,
закономерностей подавления образования отложений, внедрение которых в практику
способствует обеспечению эффективного применения жидких углеводородных топлив в
теплонапряженных узлах силовых и энергетических установок. Способы удаления
смолистых и коксовых отложений из элементов силовых, энергетических,
технологических установок и двигателей летательных аппаратов.
Апробация
работы
Основные результаты
доложены на научно-технических конференциях, в т.ч. на:
· на ежегодных научно-технических конференциях КГТУ-КХТИ
(г.Казань 1989-2000 гг.);
· II Межотраслевой научно-технической конференции по проблеме химической
регенерации тепла в летательных аппаратах и силовых установках (Москва 1991
г.);
· II Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск 1992 г.);
· научно-технической конференции «Экологическая защита
городов» (Москва 1996г.);
· 11 международном симпозиуме по физике кипения и
конденсации (Москва 1997 г.).
·
11 и 12ом Межвузовском научно‑техническом
семинаре «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика,
диагностика» (Казань 1999, 2000).
·
Международной научной
конференции «Двигатели XXI века» (Москва 2000 г.)
Публикации
По теме
диссертации опубликовано 33 печатных работы, в т.ч. 9 монографий.
Объем и
структура работы
Диссертация
состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованной литературы.
Содержание диссертации изложено на 250 страницах машинописного текста, содержит
9 таблиц, 54 рисунка. Список использованной литературы включает 212
наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы
диссертации и дан краткий обзор содержания глав диссертации.
В главе 1 представлено состояние проблемы и сформулированы
цели и основные задачи исследования, его научная новизна и практическая
значимость. Отмечено, что при реализации хладоресурса топлив возможны
ограничения по температуре нагрева, накладываемые термической стабильностью
топлива и давлением насыщенных паров.
Физический хладоресурс
стандартных углеводородных топлив вследствие небольших значений теплоемкости,
относительно невелик, и при нагреве до температуры начала кипения не превышает
500-600 кДж/кг (Рис.1). Реализация теплоты парообразования и перегрев до 400оС
позволяет достичь хладоресурса до 1300-1400 кДж/кг, однако увеличение
предельных температур нагрева топлив осложняет процесс теплообмена тем, что на
поверхности образуются коксоотложения, которые влияют на теплопередачу как за
счет роста термического сопротивления стенки, так и за счет влияния на
теплоотдачу вследствие изменения состояния поверхности. Одним из основных
факторов, определяющих процесс образования кокса, является жидкофазное
окисление топлив растворенным в них кислородом.
Рис.1. Хладоресурс топлив DНх в зависимости от температуры Т при Р=0.1
МПа:
1
–хладоресурс топлива Т-6, соответствующий максимальной температуре применения;
2
–хладоресурс топлива РТ, Т-8, соответствующий максимальной температуре
применения;
3
–хладоресурс топлива Т-1, ТС-1, Т-2, соответствующий максимальной температуре
применения.
Анализ показывает, что
образование отложений является весьма сложным процессом, зависящим как от
кинетики химических превращений, так и от внутренних характеристик течения и
теплообмена, которые в свою очередь могут во многом определяться структурой и
свойствами самих отложений.
Значительный
прирост хладоресурса и работоспособности может быть достигнут при перегреве
топлив за счет использования эндотермического разложения топлив в паровой фазе.
Суммарный хладоресурс углеводородных топлив при нагреве до 700-800 оС
может достигать значений 2500-4000 кДж/кг. Однако вместе с тем следует
отметить, что процессы, происходящие в топливах в области высоких температур,
практически не изучены. Кроме того, при фазовых превращениях и деструкции
топлив в силовых, энергетических и технологических установках происходит
образование смоло- и коксоотложений, которые в свою очередь приводят к росту
гидравлического сопротивления трубопроводов и термического сопротивления
стенок. Образование кокса в топливных коллекторах и форсунках камер сгорания,
прежде всего, отрицательно сказывается на ресурсе и надежности агрегатов и
установок, в связи с чем при разработке последних стремятся снизить
интенсивность образования коксоотложений. Работы в этом направлении в настоящее
время носят чисто эмпирический характер и не опираются на научные представления
о механизме образования коксоотложений при течении нагреваемых топлив (горючих)
в узлах и каналах аппаратов.
В главе 2 приведены экспериментальные
установки для изучения закономерностей образования отложений в условиях
жидкофазного окисления углеводородных топлив. Отмечено, что образование
низкотемпературных отложений, которые в основном отмечаются на стенках складских
топливных резервуаров, фильтрах тонкой очистки заправочных средств, а также в
топливных системах самолетов на фильтрах тонкой очистки, деталях
топливоподающей аппаратуры и в топливомасляных радиаторах могут забивать
фильтры, нарушать работу топливорегулирующей аппаратуры и снижать эффективность
охлаждения двигателей и теплообменных аппаратов. Обнаружено, что механизм
окисления топлив меняется при достижении температур 110 ¸ 130 оС. На рисунке 2 представлены данные по
образованию нерастворимых осадков при хранении топлив Т-1, ТС-1 и РТ в
зависимости от температуры при статических (при контакте с надтопливным
воздухом) условиях.
Как видно
из этого рисунка, при низких температурах нет принципиального различия в
механизме образования отложений в реактивных топливах. Эти данные соответствуют
выводам работ Г.Ф.Большакова (Образование
гетерогенной системы при окислении углеводородных топлив/ Большаков Г.Ф.
-Наука. Сиб. Отд-ние, 1990. –248 с.), в которой отмечается, что,
начиная от температуры начала кристаллизации и до температур начала вытеснения
легких фракций, меняется лишь скорость процесса отложения нерастворимых
осадков.
Рис.2. Масса нерастворимого осадка, образовавшегося при
хранении реактивных топлив в течение 1500 часов на стеклянной поверхности в
зависимости от температуры
Рис.3.
Склонность топлив к образованию
нерастворимых осадков при повышенных температурах для статических условий.
С повышением
температуры увеличивается количество образующегося за определенное время
осадка. Как видно из рисунка 3, при значениях температуры 150 - 170 оС
(в зависимости от марки топлива) оно достигает максимума, а с дальнейшим
повышением температуры снижается. Объяснение этому можно найти в уменьшении
доступа кислорода к топливу по мере роста температуры.
Изучены
кинетические закономерности окисления реактивных топлив в контакте с
конструкционными материалами топливных систем летательных аппаратов.
Обнаружено, что среди исследованных металлов имеются как катализаторы, так и
ингибиторы окисления.
Для изучения
закономерностей образования коксоотложений при течении различных топлив и
горючих в условиях нагрева была смонтирована экспериментальная установка
(Рис.4).
В качестве рабочего
участка использовались сменные трубки одной партии поставки из стали 12Х18Н9Т,
сплава ХН60ВТ, меди М1, в том числе с внутренними покрытиями, длиной от 0,3 до
1,0 м и внутренним диаметром от 1 до 4 мм. Установка имеет разомкнутый
топливный контур с горизонтально расположенным рабочим участком, нагреваемым
переменным током. Предварительно очищенное от механических примесей топливо с
различным содержанием кислорода, смол и непредельных соединений из расходного
бака 5 через сетчатые фильтры 4 с ячейками 16 и 5 мкм подавалось насосом 2
марки 661Л в электронагреватель 15, где производился предварительный подогрев
топлива. После этого топливо поступало в рабочий участок 17, где происходил его
нагрев до заданной температуры.
Рис.4. Экспериментальная
установка для изучения закономерностей образования отложений при течении
углеводородных топлив в условиях нагрева
1 - бак закачки топлива; 2 - насос; 3 -
предохранительный клапан; 4 - фильтр;
5 - расходный бак; 6 - вентиль; 7 - трехходовой кран;8
- штихпробер;
9 - уравнительный бак; 10 - теплообменник; 11 - кран с
электроприводом;
12 - датчик расхода; 13 - электроконтактный манометр;
14 - термопара;
15 - электронагреватель; 16 - манометр; 17 - реактор;
18 - холодильник;
19 - регулировочный кран; 20 - топливо-газовый
отделитель;
21 - газовый счетчик ; 22 - кран управления; 23 -
топливный бак;
Ввиду того,
что веществами, обусловливающими образование кокса при нагреве различных
топлив, являются растворенные в них кислород, смолы, ненасыщенные соединения и
др. химически активные примеси, а также вещества, находящиеся в топливе в виде
коллоидных и микрогетерогенных частиц, были проведены исследования
закономерностей образования коксоотложений при течении топлив в условиях
варьирования концентраций этих примесей. Концентрация растворенного в топливе
кислорода (в топливном баке) варьировалась от 5,0 % (равновесная концентрация
при нормальных условиях) до 0,2 % (объемн). Уменьшение концентрации
растворенного кислорода -обескислороживание - осуществлялось посредством
барботажа топлива в баке инертным газом (N2, Ar, He) до требуемого
содержания остаточного кислорода при нормальных условиях. Содержание
остаточного кислорода варьировалось посредством выбора инертного газа и времени
барботирования (Рис. 5) с целью изучения влияния концентрации растворенного
кислорода на скорость образования кокса на стенках канала. Как видно из этого
рисунка, наилучший результат по вытеснению кислорода как для топлива РТ, так и
других реактивных топлив РТ, ТС-1 обнаружен при барботировании с применением
газа гелия.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 |