Исследование теплообмена и коксоотложения при течении синтетических (ненефтяных) топлив в каналах агрегатов авиационных двигателей

СВЕДЕНИЯ

О СОИСКАТЕЛЕ И ПРЕДСТОЯЩЕЙ ЗАЩИТЕ

Ф.И.О.:	КИРИШЕВ ЕДЫЛЬ ЛУХВАНОВИЧ
Тема диссертации:	Исследование теплообмена и коксоотложения при течении синтетических (ненефтяных) топлив в каналах агрегатов авиационных двигателей
Специальность:	05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов
Отрасль науки:	Технические науки
Шифр совета:	Д 212.110.02
Тел. ученого секретаря диссертационного совета	915-31-29
E-mail:	[email protected]
Предполагаемая дата защиты диссертации:	26 февраля 2009г. в 15-00
Место защиты диссертации:	г. Москва, Берниковская наб., дом 14, каф. ИЛА, ауд. 102-5

Председатель

диссертационного Совета

Д 212.110.02, д.т.н., профессор Соколов В.П.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

Д 212.110.02, д.т.н., доцент Силуянова М.В.

На правах рукописи

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

образования

«МАТИ» - Российский государственный технологический университет

имени К.Э. Циолковского

УДК 629.183

Киришев Едыль Лухванович

Исследование теплообмена и коксоотложения при течении синтетических (ненефтяных) топлив в каналах агрегатов авиационных двигателей

Специальность::

05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре «Управление инновациями» ГОУ ВПО Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства, в ЦИАМ им. П.И. Баранова и на кафедре «Двигатели летательных аппаратов и теплотехника» ГОУ ВПО «МАТИ» – Российского государственного технологического университета имени К.Э. Циолковского

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Яновский Леонид Самойлович

Научный консультант: доктор технических наук

Мусабаев Талгат Амангельдиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дмитренко Артур Владимирович

кандидат технических наук, доцент

Разносчиков Владимир Валентинович

Ведущее предприятие: ОАО «МПО им. И. Румянцева»

Защита состоится « 26 » февраля 2009 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного Совета Д 212.110.02 ГОУ ВПО «МАТИ» Российского государственного технологического университета имени К.Э. Циолковского, по адресу: 109240, г. Москва, Берниковская наб., д.14, стр.2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «МАТИ»  Российского государственного технологического университета имени К.Э. Циолковского.

Автореферат разослан « 26 » января 2009 г.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения) просим присылать по адресу: 121552, г. Москва, Г-552, ул. Оршанская, д.3 ГОУ ВПО «МАТИ» Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского, ученому секретарю диссертационного Совета Д 212.110.02.

Адрес электронной почты:

Ученый секретарь диссертационного

Совета Д 212.110.02

доктор технических наук, доцент М.В. Силуянова

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В последние годы весьма актуальной стала общемировая проблема замены нефти, из которой производится около 99% моторных топлив, на другие, альтернативные виды сырья. В качестве таковых рассматриваются, прежде всего, газ и уголь, мировые запасы которых достаточно велики. Из них уже сегодня производятся моторные, в том числе авиационные, топлива (компании SASOL, BP, Shell Malaysia, Exxon Mobil Qator и др.).

Однако уголь и природный газ, как и нефть, являются невозобновляемыми сырьевыми энергоресурсами, производство и применение топлив из этих видов сырья способствует усилению парникового эффекта из-за выбросов СО2 в атмосферу. Наиболее приемлемым видом возобновляемого сырья для топлив является биомасса. Разработаны и созданы альтернативные топлива из рапса, отходов сельхозпроизводства, морских водорослей и др., при сгорании которых также образуется СО2, но это тот газ, который ранее был поглощен растениями из воздуха, и, следовательно, применение биомассы в качестве топливного сырья не увеличивает содержание СО2 в атмосфере. За рубежом уже была создана технология производства реактивных биотоплив и проведены их лабораторные, стендовые и летные испытания.

В странах СНГ эти исследования только начаты, в России созданы первые опытные образцы реактивного биотоплива. В связи с отсутствием в литературе каких-либо данных по эксплуатационным свойствам биотоплив, их термостабильности, склонности к коксоотложениям при нагреве, исследования теплообмена и коксуемости при течении реактивных биотоплив в каналах различных теплообменных устройств авиационных двигателей являются актуальными.

Целью Работы является определение основных закономерностей теплообмена и коксоотложения при нагреве образцов авиабиотоплива в условиях течения в каналах теплонапряженных агрегатов ГТД и других авиационных двигателей и получение опытного материала для разработки инженерных методов расчета. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

- определение основных эксплуатационных свойств представительного опытного образца биотоплива с полифункциональной присадкой в условиях, моделирующих применение топлива в авиадвигателях;

- экспериментальное исследование теплообмена и коксоотложения биотоплива при течении в обогреваемых каналах в условиях термоокисления и термодеструкции;

- разработка методик расчета тепло- и массообмена при течении биотоплив в каналах в условиях жидкофазного окисления и деструкции;

- разработка топливо-воздушного (газового) теплообменника-реактора для перспективной авиационной силовой установки на синтетическом реактивном биотопливе.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые получены данные по эксплуатационным (термостабильность, коррозионная агрессивность, воздействие на резины, герметики и фильтры) свойствам, а также по теплообмену и коксоотложению авиабиотоплива в условиях нагрева при течении в каналах теплонапряженных агрегатов авиационных двигателей. На основе обобщения полученных автором материалов предложены соотношения для расчета теплообмена и коксоотложения при нагреве биотоплива.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований эксплуатационных свойств авиабиотоплива в условиях, моделирующих его применение в авиадвигателях.
2. Результаты экспериментальных исследований теплообмена и коксоотложения в условиях нагрева авиабиотоплива при течении в каналах агрегатов авиадвигателей.
3. Результаты расчетов и разработки топливо-воздушного теплообменника системы охлаждения воздуха в перспективной авиационной силовой установке.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерений и обработки данных, анализом погрешностей измерений, а также воспроизводимостью результатов по эксплуатационным свойствам, теплообмену и коксоотложениям стандартных реактивных топлив ТС-1, РТ и др.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты позволяют расширить возможности эксплуатации отечественных ГТД и других авиационных двигателей на различных топливах, в том числе на авиабиотопливе, повысить конкурентоспособность российской авиатехники на мировом рынке и снизить негативный вклад авиации в парниковый эффект. Результаты работы могут быть использованы при проектировании теплонапряженных топливоиспользующих агрегатов ГТД и других авиационных силовых установок, а также в учебном процессе в авиационных ВУЗах.

Апробация работы

Результаты работы докладывались автором на конференциях: 6-й Международной конференции «Авиация и космонавтика – 2007», Москва, МАИ, 1-4 октября 2007 г.; Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», Москва, МГТУ ГА, 3 апреля 2008 г.; IV Всероссийской конференции «Новые приоритеты национальной экологической политики в реальном секторе экономики». Москва, Кремль, Государственный Кремлевский Дворец, 18 ноября 2008 г.; II Международной научно-технической конференции «Проблемы химмотологии», Киев, Национальный авиационный университет, 2-6 июня 2008 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе: 1 монография и 4 учебных пособия, 4 научных статьи, одна из которых опубликована в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и Объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (103 наименования) и приложения; изложена на 153 страницах машинописного текста и содержит 47 рисунков и 17 таблиц.

Содержание работы

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертационной работы и дан краткий обзор глав диссертации.

В ГЛАВЕ 1 даны обзор и анализ проблемы создания и применения альтернативных (ненефтяных) синтетических топлив из угля, природного газа и биосырья. Уголь и природный газ, как и нефть, являются невозобновляемыми сырьевыми ресурсами для производства топлив, и создание синтетических топлив из угля и газа, хотя и расширяет возможности производства (снижение цены) топлив, тем не менее, способствует усилению парникового эффекта за счет выброса СО2 в атмосферу. Показано, что лишь вовлечение биомассы в качестве сырья для производства топлива способствует снижению парникового эффекта за счет поглощения биомассой (при ее воспроизводстве) того же количества СО2, которое было выброшено в атмосферу при горении биотоплива.

Технология производства биотоплив из органической массы уже отработана в ряде зарубежных стран (США, Франция) и проведены с положительными результатами лабораторно-стендовые и летные испытания биотоплива на военно-транспортных самолетах. В ЦИАМ им. П.И. Баранова были разработаны технические требования к реактивному биотопливу, а в Институте нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН была разработана технология восстановительной каталитической дегидратации ряда циклических и амифатических спиртов, которая приводит к образованию углеводородов – основы реактивных топлив:

2ROH + H2 R-R + H2O.

Получаемая смесь углеводородов имеет высокую термоокислительную стабильность, низкую температуру замерзания, повышенную теплоту сгорания. Созданный в соответствии с Техническим заданием на авиатоплива представительный образец опытного биотоплива обладает показателями качества на уровне стандартных реактивных топлив из нефти.

На основании анализа научно-технической литературы и опыта работы автора в области авиатехники и нефтехимии были сформулированы цель и задачи исследований, включающие получение данных по основным эксплуатационным свойствам, теплообмену и коксоотложению при нагреве биотоплива в теплообменных устройствах перспективных авиационных силовых установок.

В ГЛАВЕ 2 приведены результаты лабораторно-экспериментальных исследований основных эксплуатационных свойств представительного образца авиабиотоплива (АБТ), созданного ИНХС им. А.В. Топчиева РАН. Для повышения его термоокислительной стабильности (стойкости к окислению растворенным в топливе кислородом) в топливо была введена в количестве 0,05% масс полифункциональная присадка, состоящая из антиоксиданта АО 2246 (0,034% масс), диспергента С-5А (0,008% масс) и деактиватора металла Синган (0,008% масс).

Образец биотоплива был исследован в ЦИАМ в объеме требований ГОСТ 10227-86 "Топлива для реактивных двигателей" и Комплекса методов квалификационной оценки эксплуатационных свойств топлив для авиационных ГТД. Для оценки воздействия биотоплива на конструкционные, уплотнительные и фильтрующие материалы проводились специальные исследования, методики которых представлены в диссертации.

Исследования показали, что испытанный образец биотоплива с присадкой в основном соответствует требованиям ГОСТ 10227-86 на топливо ТС-1 и РТ. При этом температура начала кипения топлива АБТ несколько ниже, чем у ТС-1 и РТ (148°С против 150 и 155°С), что облегчает запуск двигателя в холодных условиях. Кинематическая вязкость при температуре -40°С у топлива АБТ составляет 5,0 – 5,1 сСт против 8 и 16 сСт у ТС-1 и РТ, что обеспечивает прокачиваемость топлива АБТ при минусовых температурах лучше, чем у стандартных реактивных топлив. Температура вспышки, ответственная за пожаробезопасность при эксплуатации, составляет 37 – 38°С, что лучше, чем у ТС-1 и РТ (28°С). Термоокислительная стабильность, определенная в статических условиях при 150°С, составляет 1,2 мг/100 мл топлива у АБТ с присадкой против 18/100 мл и 6 мг/100 мл топлив ТС-1 и РТ, соответственно. При этом концентрация нерастворимых смол у АБТ равно 0,2 против 3,0 у топлива РТ, то есть топливо АБТ с присадкой существенно термостабильнее топлив ТС-1 и РТ.

Вместе с тем, удельная электрическая проводимость топлива АБТ существенно хуже, чем у ТС-1 и РТ (5 пСм/м против 600 пСм/м), что может создать определенные трудности при скоростной заправке летательного аппарата и потребует введения в топливо антистатической присадки.

Исследования воздействия АБТ на конструкционные, уплотнительные и фильтрующие материалы показали следующее. Топливо АБТ оказывает незначительное (в пределах норм) коррозионное воздействие на медь и ее сплавы (при 100°С – 80 час. И при 120°С – 20 час.). Более сильное коррозионное воздействие АБТ наблюдалось на образцах из бронзы ВБ23НЦ.

Воздействие АБТ на нитрильные резины оценивалось по методике М38.405445-80 по изменению свойств резин марок ИРП-1078 и ИРП-1078А после выдержки при Т=100°С - 80% и Т=120°С – 20% времени, при степени сжатия образцов 20%. Изменение свойств определялось через 100 часов и 300 часов выдержки. Смену топлива проводили через 100 часов. Результаты исследований показали, что топливо АБТ менее влияет на свойства резины, чем топливо ТС-1.

Работоспособность герметика марки УЗОМЭС-5НТ в топливе АБТ определялась по ГОСТ 9.068 путем сравнительной оценки физико-механических и адгезионных свойств герметика после выдержки в топливе АБТ при нормальной (20°С) и повышенной (130°С) температурах. Время контакта при 20°С составляло 1 и 10 суток, а при 130°С – 25 часов. Установлено, что воздействие образца топлива АБТ на герметик УЗОМЭС-5НТ более благоприятное, чем топлива ТС-1: условная прочность в момент разрыва составляет при 20°С 26-31 кг/см2, при 130°С 31-38 кг/см2 против 18 кг/см2 для ТС-1; прочность адгезионной связи при отслаивании герметика от сплава Д16Т после выдержки в среде топлива АБТ составляет 5,76-5,85 кг/см2 против 2,0 кг/см2 для ТС-1.

Физико-химические и эксплуатационные свойства топлива АБТ после контакта с метаарамидной нитью – фильтрующим материалом топливных фильтров и конструкционным материалом топливных баков перспективных летательных аппаратов практически не изменились.

Таким образом, образец авиабиотоплива АБТ прошел с положительными результатами лабораторно-стендовые исследования по определению его воздействия на конструкционные, уплотнительные и фильтрующие материалы и был рекомендован для изучения теплообмена и коксуемости при течении в каналах топливоиспользующих агрегатов авиадвигателей.

В ГЛАВЕ 3 приведены результаты исследований теплоотдачи и коксоотложений при течении биотоплива сверхкритического давления в обогреваемых каналах.

Процессы теплообмена и коксоотложения при течении в каналах при нагреве изучались на электротермической установке (рис. 1). Топливо из расходного бака через сетчатый фильтр с ячейкой 16 мкм подавалось насосом в электронагреватель, где производился предварительный подогрев; после чего топливо поступало в рабочий участок, где происходил его нагрев до заданной температуры и измерялись все параметры, необходимые для обработки результатов испытаний. За рабочим участком топливо поступало в водяные холодильники для охлаждения с последующим отбором проб топлива для анализа на содержание непредельных соединений и смол.

В качестве рабочего участка использовались трубки из сплава ХВ60ВТ, стали 12Х18Н9Т и из меди М1, диаметром 1, 2, 3, 4 мм и толщиной стенки 0,5 – 2 мм. Измерялась температура наружной поверхности горизонтально размещенного рабочего участка (вдоль верхней и нижней образующих) посредством Х-А термопар диаметром 0,3 мм, установленных равномерно по длине с шагом 15 мм вдоль нижней образующей. Локальные значения плотности теплового потока на внутренней поверхности трубок определялись по силе тока и локальным значениям электрического сопротивления трубки, с учетом тепловых потерь.

Испытания на коксуемость проводились при постоянных режимных параметрах, при этом температурное состояние рабочего участка и перепад давления на нем контролировались через фиксированные промежутки времени с целью определения скорости изменения температуры стенки вследствие коксоотложений. После испытания трубки разрезались на отрезки длиной по 50 мм, отложения фотографировались со 100- и 2000-кратным увеличением (для определения их толщины и шероховатости), а затем выжигались в потоке О2 при температурах 850 – 950°С для определения их массы и элементного состава. Давление и температуру топлива на входе в рабочий участок варьировали от 0,5 до 8,0 МПа (Р/Ркр = 0,2 – 3,6) и от 10 до 150°С (Т/Ткр = 0,5 – 0,75), соответственно. Масса коксоотложений, их элементный и групповой составы определялись по методу микроэлементного анализа. Структуру отложений исследовали на электронном сканирующем микроскопе DSM - 960 Opton при увеличении от 100 до 2000. Величины шероховатости и пористости отложений определялись путем статистической обработки результатов микроизмерений.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

1 – бак закачки топлива; 2 – насос; 3 – предохранительный клапан; 4 – фильтр; 5 – расходный бак; 6 – вентиль; 7 – трехходовый 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 – рабочий участок;

18 – холодильник; 19 – регулирующий кран; 20 – топливо-газовый отделитель; 21 – газовый счетчик; 22 – кран управления; 23 – сливной бак; 24 – запорный кран

Были измерены коэффициенты теплоотдачи при турбулентном течении биотоплива сверхкритического давления (СКД) сначала в отсутствие коксоотложений. Показано, что могут возникать режимы ухудшенной теплоотдачи, когда значения температур потока и стенки меньше псевдокритической температуры топлива. Установлены границы этих режимов и предложены эмпирические зависимости для расчета ухудшенной и нормальной теплоотдачи.

Рис. 2. Зависимость температуры стенки трубки, К, от энтальпии, кДж/кг, при течении топлива типа Т-6 (Р=5,0 МПа; =9000 кг/(м2с); tвх = 373 К):

1 – qw = 7,8105 Вт/м2:2 – 9,3105; 3 – 11105

Установлено, что "критическая" плотность теплового потока для биотоплива АБТ, при которой наступает переход из режима нормальной теплоотдачи в ухудшенный режим, существенно выше, чем для топлива РТ. Экспериментальные данные по ухудшенной и нормальной теплоотдаче обобщены критериальными зависимостями вида:

(1)

(погрешность ±15%)

и (2)

(погрешность ±20%)

Было также исследовано влияние оребрения трубчатой поверхности, выполненного в виде поперечных к потоку микродиафрагм плавного очертания, нанесенных путем наружной накатки (по методу МАИ), на теплообмен и коксоотложения. Диапазоны изменения режимных параметров: давление на входе в канал 3,0-5,0 МПа; число Re = (2 3,5)103; плотность теплового потока (1,95 17,65)105 Вт/м2 – позволили охватить область наиболее сильного изменения физических свойств биотоплива при СКД. Глубина и шаг накаток варьировались в диапазоне: d/D = 0,85 0,95; t/D = 0,75 2,0. При этом во всех опытах режимные параметры были одинаковыми. Трубки после испытаний разрезались и под микроскопом определялись толщина, шероховатость и пористость отложений. После этого отложения выжигались в потоке О2 для определения их массы. Для сравнения опыты проводились также на гладких трубках.

Эксперименты показали, что коксоотложения представляют собой мелкозернистую структуру, сформированную из отдельных сфероподобных глобул. Глобулы имеют характерные размеры 15-25 мкм. По мере наработки отложения покрывают металлическую поверхность, как и на гладких трубках, не сразу, а постепенно. Обработка данных показала, что зависимость доли поверхности стенкиS, покрытой отложениями, от времени наработки может быть описана соотношением:

, (3)

(гдеSmax = 1; a – эмпирический коэффициент), справедливым и для гладкого канала. Скорость образования отложений в каналах с накаткой максимальна в начальный момент наработки, а затем убывает и стремится к некоторому, практически постоянному, значению.

Микрооребрение канала, снижающее температуру стенки вследствие интенсификации теплообмена, приводит вначале к росту скорости образования кокса и перегреву стенки, а затем, после максимума, - к снижению этих величин (рис. 3). Температура накатной трубки при x/d > 100 возрастает с наработкой и приближается к температуре гладкой трубки (рис. 4). Такой перегрев обусловлен образованием отложений, причем основной вклад в термическое сопротивление вносит слой пара (w = 0,05 – 0,06 Вт/(м К)), находящегося в порах отложений. Эвакуация пара посредством турбулизации потока при интенсификации теплообмена замедляется по мере образования пористых отложений, и термосопротивление возрастает.

Рис. 3. Влияние изменения температуры стенки вследствие интенсификации теплоотдачи на скорость перегрева стенки (а) и скорость образования отложений (б): 1 – x/d = 50 ; 2 – 150

Рис. 4. Изменение температуры стенки гладкой (1) и накатанной (2) трубок 41000 по мере наработки: • - начало наработки, ° - н= 10 час

Отметим, что перегрев стенки в турбулентном режиме течения вследствие образования отложений с увеличением наработки неоднозначно определяет количество кокса. В связи с этим оценка толщины и термического сопротивления отложений, сформировавшихся в турбулентном режиме течения, проводилась в повторном опыте в ламинарном режиме, когда кокс не влияет на теплоотдачу (температура стенки после наработки сравнивалась с таковой в начальный момент в ламинарном режиме на чистой трубке). Обработка данных показала, что термическое сопротивление отложений Rотл(н) может быть описано аналогично (н):

Rотл = Rотл max [1 – exp(– bн)]. (4)

Аналогична зависимость Rотл(н) и для гладких каналов. Замедление скорости роста термического сопротивления коксоотложений по мере наработки обусловлено увеличением тангенциального (сносящего) воздействия потока, которое пропорционально толщине отложений отл и касательному напряжению w на стенке. По величинам Rотл был оценен коэффициент теплопроводности отложений отл.

Приведенные результаты составляют практический материал, характеризующий влияние основных режимных и геометрических параметров на образование коксоотложений при течении топлив в каналах.

Для расчета теплоотдачи в каналах с микрооребрением по технологии МАИ использовались экспериментальные данные, обобщенные автором в виде зависимостей (погрешность ±10%):

- для d/D = 0,85 – 0,95 и t/D = 0,75 – 1,0:

(5)

- для d/D = 0,85 – 0,95 и t/D = 1,0 – 2,0:

(6)

Автором приведены физико-химические модели образования кокса, а также двумерная модель процессов образования коксоотложений при течении биотоплив в каналах.

Проведено математическое моделирование закономерностей и дан анализ условий образования коксоотложений в каналах в стационарных условиях. Даны рекомендации по уменьшению коксоотложений в топливных каналах ГТД. Предложенная модель жидкофазного окисления топлив включает три стадии образования кокса. На первой стадии происходит взаимодействие растворенного О2 с топливом с образованием промежуточных химически активных продуктов. На второй стадии эти продукты, взаимодействуя с топливом, образуют высокомолекулярные соединения (ВМС). На третьей стадии ВМС, взаимодействуя со стенкой, образуют вещество кокса. Такая модель, сохраняя основные черты сложного многостадийного процесса жидкофазного окисления топлив, позволяет находить константы скоростей брутто-реакций предложенной схемы из экспериментов, моделирующих процесс образования отложений в условиях, близких к реальным в ГТД, в т.ч. и при глубоких стадиях окисления топлива. Схема этого процесса имеет вид:

(7)

здесь RH – топливо, PR – промежуточные продукты окисления, SR – высокомолекулярные продукты окисления (ВМС). Константы k1, k2, kw определялись исходя из условий наилучшего совпадения с экспериментальными данными по скорости образования кокса при ламинарном режиме течения в каналах.

Модель образования коксоотложений при течении топлив была описана системой уравнений теплопереноса и диффузии для растворенного кислорода, промежуточных продуктов и ВМС в приближении пограничного слоя.

Поскольку концентрация продуктов окисления весьма мала (10-4 моль/л), концентрация О2 незначительна (10-2 моль/л), то изменением концентрации топлива и тепловыми эффектами реакции окисления можно пренебречь, и течение окисляемого топлива можно отнести к классу течений химически реагирующих сильно разбавленных жидкостей. Задача расщепляется на диффузионную и – независимую от нее – тепловую.

Система уравнений гидродинамики и теплообмена записывается в виде:

(8)

(9)

(10)

с граничными условиями:

x = 0; Ux = Uвх(r); h = hвх(r); P = Pвх;

x > 0, r = 0:

x > 0, r = rw: Ux = Ur = 0, (11)

Для вычисления градиента давления используется условие постоянства расхода ( U=const). Коэффициент турбулентной вязкости при переменных физических свойствах т, рассчитывается по методу В.Н. Попова (МЭИ, ИВТАН).

Уравнение баланса массы имеет вид

(12)

где Ii - источниковый член для кислорода (i =1), промежуточного продукта (i = 2) и ВМС (i = 3);

Сi - массовая концентрация (i/см);

D, Dт, - соответственно коэффициенты молекулярной и турбулентной диффузии.

Граничные условия:

r = 0; 0; i = 1,2,3

r = rw; i = 1,2; -(D + DT) (13)

Запишем выражения для источниковых членов

; ; . (14)

Здесь - молекулярная масса, кг/кмоль; ki = A exp (-Ei /RT) - константы скоростей окисления топлива. Граничные условия на стенке определяем из равенства J3w = kwC3w, где kw - константа скорости реакции на стенке выбирается из условия совпадения с экспериментом по скорости образования коксоотложений в кинетическом режиме.

Система уравнений (8-14) решалась конечно-разностным методом с помощью двухслойной шеститочечной неявной итерационной схемы, что дало возможность детального изучения коксоотложения в каналах на основе результатов численного моделирования. Это особенно важно при изучении окисления топлив, так как многие стадии этого процесса практически не поддаются экспериментальным исследованиям. Поскольку образование кокса определяется совокупным влиянием гидродинамических и тепловых условий, а также химией процесса, то даже качественно процесс коксообразования будет зависеть от конкретных значений режимных параметров. Результаты моделирования процесса образования кокса при течении нагреваемых топлив в каналах, проиллюстрированные на рис. 5 в виде зависимости среднемассовых концентраций кислорода, промежуточного продукта и ВМС по длине канала, удовлетворительно описывают экспериментальные данные.

Рис. 5. Распределение среднемассовых концентраций продуктов жидкофазного окисления топлива по длине канала:

1 - [O2]; 2 - [PR]; 3 - [SR] (qw = 5105 Вт/м2; G = 0,83310-2 кг/с; Твх = 373 K)

Влияние скорости реакций термодеструкции топлив на теплообмен можно учесть, поставив величину Nu/Nuf в зависимость от отношения характерных времен турбулентной диффузии в трубе и химической реакции:

Nu/Nuf, = (15)

Здесь хим k–1, k – константа скорости реакции термодеструкции топлива; диф d2/Dт, Dт – коэффициент турбулентной диффузии (Dт/ ~ Re).

Экспериментальные данные по локальной теплоотдаче к термически разлагающемуся АБТ при q/( U) < 0,7 кДж/кг обобщены автором на основе соотношения:

(16)

где Da = диф /хим – число Дамкеллера, рассчитываемое при температуре стенки. Экспериментальные данные для АБТ обобщены зависимостью (18) с погрешностью не более ± 12 %. При числе Dа < 10-3 влияние химических реакций на теплоотдачу весьма незначительно, и расчет теплоотдачи можно вести по зависимости В.А. Курганова – Б.С. Петухова (Nuf) для многоатомных газов.

В ГЛАВЕ 4 изложены закономерности термической деструкции биотоплива при турбулентном течении в каналах в условиях повышенных давлений и температур до 900°С. Методом секционного обогрева впервые экспериментально получены распределения вдоль трубки осредненных по сечению температуры, состава пирогаза, степеней газообразования и теплового эффекта реакции. Определены параметры кинетики реакции газо- и коксообразования. Данные по составам пирогаза и тепловым эффектам реакции термодеструкции были использованы для определения хладоресурса топлива и работоспособности пирогаза как рабочего тела.

В процессах деструкции топлив одним из ключевых является вопрос коксоотложений. В работе были проведены экспериментальные исследования закономерностей образования кокса при деструкции топлив под давлением до 8,0 МПа в проточных трубках, при постоянных режимных параметрах, при этом температура стенки трубок и перепад давлений на них измерялись через заданные промежутки времени. После испытания трубки разрезались на отрезки длиной 50 мм, отложения на их внутренней поверхности фотографировались для определения их толщины и шероховатости, а затем выжигались в потоке О2 при температуре 850 - 950°С для определения массы кокса. Анализ структуры кокса проводился с использованием электронного микроскопа DSM - 960 Opton при увеличении от 100 до 2000.

Опыты показали, что при деструкции топлив в условиях турбулентного течения в каналах кокс покрывает металл тонким сплошным слоем. Так, при деструкции топлива АБТ и н-С8Н18 в течение 4-х часовой наработки толщина кокса не превышала 1 мкм. Микрофотографирование кокса показало, что последний имеет слоистую структуру, а наружный рельеф в основном повторял рельеф металлической поверхности. Установлено, что скорость роста кокса по мере наработки убывает от начального (наибольшего) значения до стационарного, то есть происходит торможение процесса коксоотложений. Время перехода от начального нестационарного значения скорости образования кокса до стационарного, по данным микрофотографирования, соответствует времени полного покрытия металлической поверхности коксом. Более высокую по сравнению со стационарной начальную скорость образования отложений можно объяснить каталитическим действием металла поверхности. Время выхода на стационарный режим оказалось совпадающим со временем установления стационарных значений концентраций непредельных и поликонденсированных ароматических соединений в пробах топлив, отбираемых в процессе наработки. При этом лимитирующей стадией образования кокса становится диффузия промежуточных продуктов, из которых он образуется, через уже образовавшийся слой кокса к металлу. И начальная и стационарная скорости образования коксоотложений оказались пропорциональными давлению топлива (рис. 6).

Рис. 6. Влияние давления топлива на начальную (1) и стационарную (2) скорости образования кокса при термодеструкции АБТ, Тт = 710оС

В данной главе приведены результаты анализа и обобщения экспериментальных исследований теплоотдачи при течении термически разлагающихся биотоплив в обогреваемой круглой трубе, выполненных при участии автора. Эксперименты проводились в широком диапазоне параметров: давление 0,1 – 8,0 МПа; температура топлива на входе в канал 400 500°С, температура пирогаза на выходе из канала 550 750°С; число Re на входе в канал 2103 1,4104. Максимальная температура трубки ограничивалась предельно допустимой температурой металла.

При выборе и разработке модели теплоотдачи к турбулентным потокам термически разлагающихся топлив требуется знать соотношение характеристик времен химических превращений (хим), пребывания газа в канале (гидр) и турбулентных пульсаций (турб), которые определяют необходимость учета тех или иных физических и химических процессов. Для определения хим используем данные по кинетике деструкции топлив, хим =k –1. Характерное гидродинамическое время определяется как гидр = d/(/), учитывающее изменений гидродинамики на расстояниях порядка нескольких диаметров трубы. Для течений типа пограничного слоя соотношение между гидр и характерным временем турбулентности турб в большей части слоя составляет турб / гидр 10–2 Оценка соотношения хим и турб для топлив РТ, АБТ и н-парафинов в исследуемых интервалах параметров показала, что хим/турб 103 107, то есть реакция разложения топлив "заморожена" по отношению к турбулентным пульсациям и непосредственного влияния на характеристики турбулентности не оказывает. Соотношение времен хим и гидр при этом следующее: хим/гидр 10 105, то есть реакция разложения топлив "заморожена" также и по отношению к осредненному течению топлив. Исключение составляет лишь небольшая область высоких температур стенки на выходе из канала (Tw > 850°С), где хим/гидр 1 10. Здесь реакция разложения топлив неравновесна по отношению к осредненному течению и оказывает влияние на формирование полей температуры и концентрации и, опосредованно, полей скорости. Осредненный химический источник в уравнениях сохранения должен рассчитываться с учетом пульсаций состава и температуры, на которые в силу того, что хим/турб >> 1, химическая реакция влияет через изменение полей осредненных величин.

Особенностью турбулентных течений в трубах, каналах и пограничных слоях является, как известно, относительно малая величина интенсивности турбулентных пульсаций температуры: ( - перепад температур "стенка-потолок"), причем вероятность пульсаций, существенно превышающих среднеквадратическое значение, мала. Ввиду того, что в исследуемом интервале параметров , отношение достаточно мало, чтобы разложить нелинейные функции температуры в ряды около осредненного значения температуры, ограничиваясь членами второго порядка. Можно предположить, что интенсивность пульсаций концентрации в смеси топлива и продуктов его разложения характеризуются такими же величинами.

После преобразования и осреднения скорость химической реакции разложения можно записать в следующем виде:

(17)

Примем для оценок, что ; коэффициент корреляции . Расчеты, выполненные в интервалах Т = 800 1200 K, для разных топлив (E/R10-3 = 26 32 K), показали, что вклад членов, пропорциональных , в величину пренебрежимо мал. Поэтому при расчете турбулентного течения термически разлагающихся топлив можно использовать следующее выражение:

(18)

или (19)

(20)

Вклад пульсаций температуры весьма существен в области температур начала реакции и быстро уменьшается с ростом температуры. С увеличением перепада температур в потоке отношение увеличивается вследствие роста абсолютных значений интенсивности пульсаций температур. К такому же эффекту приводит и увеличение .

Полученные данные показывают, что хотя увеличение константы скорости разложения топлив может достигать значительных величин, влияние этого увеличения на теплообмен должно быть невелико как при малых степенях превращения (в начальной стадии процесса), где мала скорость реакции, так и при больших степенях превращения топлива (в области высоких температур), где . В промежуточной области температур и степеней превращения, очевидно, должно иметь место максимальное увеличение теплоотдачи вследствие роста константы скорости реакции.

Влияние скорости реакции термодеструкции на теплообмен можно учесть, поставив величину Nu/Nuf. в зависимость от отношения характерных времен турбулентной диффузии в трубе и химической реакции:

. (21)

Здесь хим ~ k –1, k - константа скорости реакции деструкции топлива; диф ~ d2/DT, DT – коэффициент турбулентной диффузии DT / ~ Re.

Экспериментальные данные по локальной теплоотдаче к термически разлагающемуся АБТ при q/(U) кДж/кг обобщены на основе соотношения:

, (22)

где Da = диф/хим – число Дамкеллера, рассчитываемое при температуре стенки. Экспериментальные данные для АБТ обобщены зависимостью 22 с погрешностью не более ±12%. При числах Dа < 10-3 влияние химических реакций на теплоотдачу весьма незначительно, и расчет теплоотдачи можно вести по зависимости В.А. Курганова – Б.С. Петухова (Nuf) для многоатомных газов.

В ГЛАВЕ 5 приведены результаты моделирования топливо-воздушного теплообменника-реактора на термически разлагающемся авиабиотопливе системы охлаждения воздуха в перспективной авиационной силовой установке.

Полученные данные по кинетике деструкции топлив и по тепло-массообмену были использованы при проектировании топливо-воздушного теплообменника авиационной силовой установки, предназначенной для охлаждения воздуха путем деструкции топлива; нагрев топлива при его деструкции осуществляется за счет горячих газов (воздуха). Рассматривался трубчатый перекрестноточный ТА модульной конструкции с коридорным расположением труб (рис. 7). Основные требования, предъявляемые к ТА – достижение высокой степени превращения топлива при минимальной скорости коксообразования, работоспособность в течение назначенного времени эксплуатации, приемлемые массогабаритные показатели и тепловая эффективность.

Рис. 7. Схема течения газа и топлива в трубчатом перекрестноточном теплообменнике: HxB – зона теплообмена; a, b – поперечный и продольный шаги; hа.у. – высота адиабатного участка

Расчеты ТА проведены для случая достижения степени превращения Z=90%. Для фиксированной геометрии ТА предполагается, что путем изменения параметров горячего газа (температуры и расхода) относительно расчетного режима можно регулировать потребное значение Z. Выбор всех варьируемых параметров осуществлялся при условии достижения заданной величины Z. Главным фактором оптимизации являлась скорость коксоотложений. Кроме того, оптимизируемыми параметрами ТА являются: тепловая эффективность, массогабаритные показатели, потери давления по газу и топливу. В качестве показателя массы рассматривалась суммарная масса трубок ТА. Для оценки тепловой эффективности ТА использован термический коэффициент эффективности =.

Обобщенные результаты параметрического исследования ТА представлены на рис. 8. Здесь в координатах "расход газа – температура газа" приведены линии постоянных значений массы, коэффициента тепловой эффективности, потерь давления газа и скорости коксообразования.

Поскольку выбрана неохлаждаемая конструкция ТА, то допустимые значения температуры газа ограничивались величиной 1000°С (в качестве конструкционного материала выбран сплав ХН60ВТ). Принимая в качестве ограничения величину потерь давления по горячему газу, равную 6%, и выбирая ограничения по скорости коксоотложений, массе, и потребный коэффициент тепловой эффективности, получим диапазон приемлемых значений режимных параметров. Так, ограничиваясь массой ТА 158 кг, при температуре газа 1000°С получим коэффициент тепловой эффективности ТА, равный 0,4 – 0,5 при расходе газа 2,5 кг/с.

Рис. 8. Результаты параметрического исследования ТА

Параметрический анализ ТА показал, что заметное влияние на массу, габариты, коэффициент, скорость коксоотложений оказывает объем "адиабатических" участков (А.У.) ТА. В рассмотренном диапазоне режимных параметров эффективность увеличения высоты А.У. уменьшается, начиная со значения h = 0,03 м. Длина трубки в заходе выбрана из условий оптимума, с одной стороны, скорости коксоотложений и потерь давления по газу и, с другой стороны, потерь давления по топливу, а также массы ТА. Относительный поперечный и продольный шаги AS=BS выбраны также с целью оптимального сочетания изменения скорости коксоотложений, массы ТА, потерь давления по топливу и горячему газу. Выбор числа трубок поперек потока (ширина ТА), определялся, главным образом, конструктивным исполнением и требованием равномерности раздачи топлива по трубкам. Увеличение ширины, несмотря на значительное снижение потерь давления по газу и топливу, приводит к росту массы и усложнению конструкции ТА (организация подвода и отвода топлива, обеспечение равномерной подачи горячего газа к ТА). Конструктивная схема ТА приведена на рис. 9.

Важным эксплуатационным параметром ТА является гидродинамическая устойчивость течения топлива, которая обеспечивается гидродинамическая устойчивость течения топлива, которая обеспечивается повышением гидравлического сопротивления по жидкой фазе и оптимальным отношением скоростного напора в подводящем коллекторе к потерям давления топлива в трубках. В случае, когда это условие для выбранной геометрии ТА не выполняется (по потоку топлива введены адиабатические участки, короткие трубки), наиболее просто его можно обеспечить установкой местных сопротивлений (сужающих устройств) на входе в каждую трубку. Очевидно, что такой подход требует достаточно большого располагаемого перепада давлений по топливу. Теплообменник был изготовлен и прошел с положительными результатами испытания в НИЦ ЦИАМ на ресурс (наработка 100 час.). Подтверждена работоспособность и эффективность конструкции ТА, в том числе мероприятий по подавлению кокса в трубках.

Рис. 9. Конструктивная схема трубчатого перекрестноточного ТА

Таким образом, проведенные исследования позволили решить задачу повышения эффективности ТА и систем охлаждения путем применения биотоплива повышенного хладоресурса при высокотемпературном нагреве, обосновать мероприятия по снижению коксоотложений в топливных трубках топливных теплообменников авиадвигателей и сокращению объемов испытаний ТА на коксуемость.

ВЫВОДЫ

В результате выполненных экспериментальных и расчетных исследований эксплуатационных свойств реактивного биотоплива, а также теплообмена и коксоотложения при течении биотоплива в каналах топливоиспользующих агрегатов авиадвигателей в условиях нагрева установлено следующее:

1. Основные энергетические, физико-химические и эксплуатационные свойства альтернативного (ненефтяного) авиабиотоплива (АБТ) находятся на уровне аналогичных свойств стандартных нефтяных реактивных топлив ТС-1 и РТ, а некоторые показатели качества топлива АБТ (термостабильность, совместимость с уплотнительными материалами, дымность продуктов сгорания) превосходят ТС-1 и РТ.
2. Исследованы закономерности теплоотдачи к углеводородным биотопливам при сверхкритических давлениях. Определены «критические» плотности теплового потока, при которых возникают режимы ухудшенной теплоотдачи с локальным максимумом температуры стенки. Предложены зависимости для расчета ухудшенной теплоотдачи к биотопливам при СКД. Предложена трехстадийная кинетическая модель образования кокса, учитывающая процессы образования промежуточных и высокомолекулярных веществ (ВМС) в объеме, а также взаимодействие ВМС со стенкой с образованием кокса. Разработан метод расчета образования кокса при течении топлив в каналах в условиях окисления в приближении пограничного слоя, позволяющий определять влияние режимных и геометрических параметров на интенсивность образования отложений. Результаты моделирования процесса образования кокса при течении топлив в каналах согласуются с экспериментальными данными в широком диапазоне режимных параметров.
3. Показано, что для снижения коксоотложений при протекании процесса их образования в области кинетического торможения в объеме необходимо увеличивать скорость потока, снижать температуру топлива на входе в канал и уменьшать тепловой поток. Для снижения коксоотложений при протекании процесса их образования в области диффузионного торможения необходимо уменьшать скорость потока, температуру топлива на входе в канал и тепловой поток. Интенсификация теплоотдачи в каналах в области кинетического торможения приводит к уменьшению количества кокса, а в диффузионной области – к противоположному эффекту.
4. Проведены экспериментальные исследования теплоотдачи при турбулентном течении термически разлагающихся биотоплив. Установлено, что при больших тепловых нагрузках возникает резкое ухудшение теплоотдачи. Показано, что деструкция топлив тормозит рост температуры стенки при ухудшении теплоотдачи, если реакции протекают в кинетическом режиме. Если реакции протекают в диффузионной области, то ухудшение теплоотдачи принимает характер «теплового взрыва». Определены границы возникновения режимов ухудшенной теплоотдачи при термодеструкции биотоплив и получены зависимости для расчета теплоотдачи.
5. Выполнено математическое моделирование топливо-воздушного теплообменника реактора (ТВТР) системы охлаждения воздуха перспективной авиационной силовой установки на биотопливе. Показано, что перекрестноточный ТВТР модульной конструкции с коридорным расположением труб обеспечивает до 90% превращения биотоплива при температуре горячего газа до 900°С. Испытания ТВТР в ЦИАМ на ресурс (наработка 100 часов) подтвердили работоспособность ТВТР на биотопливе.
6. Полученные экспериментальные и расчетно-теоретические данные по эксплуатационным свойствам авиабиотоплива, теплообмену, коксоотложениям при нагреве позволяют создать научно-технический задел по переводу эксплуатации авиадвигателей на реактивные биотоплива, обеспечив при этом снижение вклада авиации в парниковый эффект и повысив конкурентоспособность российских авиадвигателей на мировом рынке.

основные публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Киришев Е.Л., Яновский Л.С., Харин А.А. Проблемы применения криогенных углеводородных топлив в высокоскоростных летательных аппаратах. - Научно-технический журнал «Двигатель», Москва, № 5 (29), 2008.

Публикации в других изданиях:

1. Киришев Е.Л., Яновский Л.С., Харин А.А. Топливомасляные системы и агрегаты авиационных газотурбинных двигателей и влияние качества горюче-смазочных материалов на их работоспособность. - РИО РГУИТП, г. Москва, 2007. 5,8 п.л.
2. Киришев Е.Л., Жубанова Л.К., Отеули Ш.А. Технология синтеза поли-м-фениленизофталамида в производстве химического волокна ARNIX. - В сборнике "Проблемы и перспективы развития нефтяной промышленности Казахстана", г. Алматы, 2005 г., с.353.
3. Киришев Е.Л., Жубанова Л.К., Отеули Ш.А. Кинетические закономерности процесса поликонденсации 1,3-фенилендиамина и изофталоилхлорида в растворе N,N-диметилацетиламида. - Деп. В НЦ НТИ РК 14.02.2006 г., № 9022-Ка06. Реферативный сборник, 1 – 2006 г., г. Алматы, с. 8.
4. Киришев Е.Л., Жубанова Л.К., Отеули Ш.А. Промышленное воплощение представлений о процессах поликонденсации в производстве полиметаармированных волокон. - В сборнике "Современные проблемы истории естествознания в области химии, химической технологии и нефтяного дела. Том 2, выпуск 6. Изд. "Реактив", г. Уфа, 2006. с.108.
5. Киришев Е.Л., Попов В.Г., Яновский Л.С. Влияние качества горюче-смазочных материалов на работоспособность авиационных газотурбинных двигателей. Учебное пособие. - М.:Издательско-типографский центр МАТИ, 2008.
6. Киришев Е.Л., Попов В.Г., Яновский Л.С. Топливные системы и агрегаты авиационных газотурбинных двигателей. Учебное пособие. - М.:Издательско-типографский центр МАТИ, 2008.
7. Киришев Е.Л., Попов В.Г., Потапов А.Ю., Яновский Л.С. Топливо-воздушные теплообменники авиационных двигателей. Учебное пособие. - М.:Издательско-типографский центр МАТИ, 2008.
8. Киришев Е.Л., Мусабаев Т.А., Харин А.А., Яновский Л.С. Синтетические (ненефтяные топлива для авиационных двигателей. Учебное пособие. - М.: РИО РГУИТП, 2008.

Гарнитура Times. Печать – ризография.

Печ.л.1. Усл.печ.л.1,5.

Тираж 100 экз. Заказ /09

Отпечатано в РИО РГУИТП

Российский государственный университет

инновационных технологий и предпринимательства

107078, г. Москва, ул. Новая Басманная, д. 9.