Исследование режимов горения энергоаккумулирующих веществ Текст научной статьи по специальности «Физика»

2. Для случаев нагрева и охлаждения получены зависимости фактора Колборна (связанного с коэффициентом теплоотдачи матрицы) от параметров потока теплоносителя с учетом температурного фактора.

3. Результаты поверочного расчета с применением полученных зависимостей показали хорошее совпадение с численным экспериментом.

Литература

1. Dr. David Gordon Wilson Professor Emeritus, MIT Chief Scientist, Wilson TurboPower Inc. «The high efficiency of our multistage ceramic-bladed turbine design can produce an attractive economic return even in the absence of CHP".

2. Плотников Д.А. Разработка и исследование дисковых секционных регенераторов автотракторных ГТД. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 1981 г.

3. Лебедь Н. Исследование гидравлических и теплообменных характеристик теплопередаю-щих поверхностей для вращающегося регенератора секционного типа. Научно-технический отчет, 1971 г.

4. Исследование роторного теплообменника малоразмерного регенеративного газотурбинного двигателя. Общероссийский н/т журнал "Полет" №1, 2005г., с.38-42. A.B. Костюков и др.

5. Расчет распределения температур в каркасе дискового роторного теплообменника при нестационарных граничных условиях. Общероссийский н/т журнал "Полет" №10, 2005г., с.14-18. A.B. Костюков и др.

6. Высокотемпературный роторный теплообменник для газотурбинных и героторных двигателей. Известия МГТУ "МАМИ" №2 (12), 2011г., с.23-26. A.B. Костюков и др.

7. Исследование системы охлаждения каркаса роторного теплообменника. Известия МГТУ "МАМИ" №2 (4), 2007г., с.61-65. A.B. Костюков и др.

8. Алексеев P.A., Костюков A.B. Повышение эффективности роторного теплообменника малоразмерного газотурбинного двигателя. Известия МГТУ "МАМИ" №1 (13), 2012 г., с.52-58.

9. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Н.Б. Варгафтик, 1972г.

Исследование режимов горения энергоаккумулирующих веществ

к.т.н. проф. Костюков A.B., доц. Кузнецов В.В., доц. Ащеульников Е.К., Родькин К.П.

Университет машиностроения kostukovl23(ci),yandex. ru Аннотация. В статье рассматриваются модель горения порошкообразных энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ) в цилиндрической камере сгорания. Такая камера может рассматриваться как форкамера водородного реактора для транспортных и стационарных энергоустановок на базе ГТД. Составлена программа расчета горения порошкообразных ЭАВ в потоке перегретого водяного пара. Получено распределение температуры по оси камеры при различных значениях коэффициента избытка окислителя - водяного пара. Определены размеры глубины фронта пламени при заданных условиях работы камеры сгорания на энергоаккумулирующих веществах.

Ключевые слова: энергоаккумулирующие вещества, модель горения в цилиндрической камере сгорания

Продолжаются поисковые работы по использованию альтернативных источников энергии, среди которых первое место отводится новым методам получения водорода. Разработка новых методов получения водорода из воды играет важную роль в современной науке и технике, поскольку в отличие от органического топлива запасы воды являются неограниченными и возобновляемыми. В нашей стране и за рубежом разрабатываются методы получения водорода из воды с помощью энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ) на основе алюминия и

кремния, что представляет новое направление на транспорте, в энергетике и в технологии, основанное на применении ЭАВ [1, 2, 3, 4, 5, 8].

При изучении режимов горения порошкообразных энергоаккумулирующих веществ в потоке перегретого водяного пара большой интерес представляет распределение температуры по оси цилиндрической камеры сгорания. Имеется в виду форкамера водородного реактора. В данной форкамере осуществляется предварительный подогрев порошкообразных энергоаккумулирующих веществ перед подачей их в рабочую зону водородного реактора.

Для обеспечения равномерного состава рабочей смеси - порошка ЭАВ и перегретого водяного пара - перед камерой сгорания устанавливается камера смешения. В камеру смешения осецентрично шнековым питателем подаётся порошок ЭАВ при комнатной температуре и тангенциально - перегретый водяной пар, имеющий температуру порядка 500°С. Образующаяся рабочая газовзвесь с температурой около 300°С направляется в камеру сгорания. Эта схема принята за основу при разработке программы расчёта осевого распределения температуры рабочего тела по оси камеры сгорания.

Определение осевого распределения температуры в камере сгорания даёт возможность рассчитать систему охлаждения камеры и тепловой барьер, отсекающий горячую камеру от блока питания. В блок питания входит расходный бункер с порошком ЭАВ и приводными электродвигателями для шнекового подающего устройства и для бункерного перемешивающего устройства. Перегрев этих объектов нежелателен.

При изучении режимов горения порошкообразных энергоаккумулирующих веществ в потоке перегретого водяного пара большой интерес представляет распределение температуры по оси цилиндрической камеры сгорания. Имеется в виду форкамера водородного реактора. В данной форкамере осуществляется предварительный подогрев порошкообразных энергоаккумулирующих веществ перед подачей их в рабочую зону водородного реактора.

Разработка программы расчета распределения температуры в камере сгорания

Для решения этой задачи использовалась упрощённая модель плоского одномерного неадиабатического пламени [6]. Рассматривается стационарное распределение температуры. Предполагается, что это распределение описывается уравнением:

л ¿2Т с1Т 0 т

Х-—т-т-ср- — = -ы-с1 + Ь, (1)

(лл (ЛьХ

где: х - координата по нормали к фронту пламени, м;

Т- температура реагирующей смеси, К;

X - среднее значение коэффициента теплопроводности массы реагирующей смеси, Вт/(м-К);

т - поток массы реагирующей смеси через единицу площади в направлении оси х, кг/(м2-с);

ср - средняя удельная теплоемкость реагирующей смеси при постоянном давлении, Дж/(кг-К);

со - скорость химической реакции, кгЭдв/(м -с);

¿7° - тепловой эффект реакции, Дж/кгэдв;

Ь - тепловые потери из единицы объёма реагирующей смеси в единицу времени, Вт/м3.

Здесь выбрана система координат, в которой пламя покоится, а рабочий поток движется слева направо через неподвижный фронт пламени. За начало координат принято положение фронта пламени. Перед пламенем скорость реакции со = О вплоть до точки х = 0. Зона реакции занимает область 0 < х < /, здесь скорость реакции со = со0. За пламенем, т.е. при х > 1 снова со = 0.

Таким образом,

г0, х< 0

со =

со°, 0< х < 1. (2)

О, х > /

Температура воспламенения рабочей смеси обозначается 7). Толщина зоны горения / определяется из уравнения:

¿7° -со° •/ = <7-/и, (3)

в котором величина д, зависящая от начального состава рабочей смеси, равна полному тепловыделению, отнесённому к единице массы смеси, [¿/] Дж/кгсмеСи-

Левая и правая части уравнения (3) представляют собой два различных выражения для полного тепловыделения при горении, отнесённого к единице площади поверхности фронта пламени.

Уравнение (1) может быть проинтегрировано, если задана явная линейная зависимость величины тепловых потерь Ь от температуры Т. Можно принять, что всюду в пламени:

Ь = К-(Т-То), (4)

где: К - константа теплообмена, связанная с теплоотдачей от рабочей смеси к стенке трубы камеры сгорания, Вт/(м3-К); Та - температура стенки трубы, К. Формула (4) описывает тепловые потери, определяемые теплопроводностью и конвекцией от рабочей смеси к стенкам трубы, на которых поддерживается постоянная температура, равная начальной температуре Та. Тепловые потери, связанные с излучением, определяются нелинейной температурной зависимостью, что препятствует получению аналитического решения. В данной работе, для упрощения, потери на излучение не учитываются.

Константа теплообмена К для круглой трубы предлагается определять по формуле:

И2

где: X - среднее значение коэффициента теплопроводности массы реагирующей смеси, Вт/(м-К); I) - диаметр трубы камеры сгорания, м. После подстановки выражений (2) и (5) в уравнение (1) последнее становится линейным уравнением и может быть проинтегрировано. Общее решение уравнения (1) имеет вид:

т-т - = А ■ еа+'х + В ■ еа-'х, (6)

К

К = (5)

где:

т-с

а, ~

2-Х

1±

т -ср

П)

а величины А, В и со имеют различные значения в каждой из трёх областей по оси камеры сгорания: перед фронтом пламени, в зоне горения и за зоной горения. Анализ уравнений (6) и (7) показывает, что

В области х < 0 :

величина В = 0, поскольку при х —> —со температура рабочей среды стремится к конечному пределу Г—»Т^, а со=0; при х = 0 имеем Т = Т, и величина А = Т,-Та . Следовательно в области х < 0:

Т -Т0=(Тг-Т0)-еа+ х. (8)

В области х > /:

Величина А = 0, поскольку при х —*■ со температура рабочей среды стремится к конечному пределу, а со=0; при х = 1 имеем Т = Гтах и величина А = Гтах - Та . Следовательно в области х > /:

Т-Т0=(Ттах-Т0)-еа--(х~!). (9)

В области 0 <х <1:

Скорость реакции со= со°. Формула (6) для этой области принимает вид:

Т -Т= А- еа+'х + В ■ еа-'х + , (10)

К

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели, где: А и В - константы, которые для данной области определяются из условий непрерывности температуры Т и градиента температуры ¿¡Т ¿¡х в точках х = 0 и х = /. Для определения А, В и Гтах при указанных условиях получены 4 уравнения:

С1 ■ т

т-т0

А + В +

Т

а.

¡■К

Т = А ■ еа+'х + В ■ еа-'! + ЗЛШ.

1-К

(П)

(12)

(13)

(14)

Исключая А, В и Гтах из уравнений (11), (12), (13) и (14), получаем уравнение для определения массовой скорости горения т :

-а

V

&-То)

ча+ - а_ у

с} -т у

Если ввести безразмерные параметры:

, К-1 к =-

(1

-а, •/

ср-т

ч

\ш ■с -I

(15)

(16)

(17)

(18)

то с учётом выражения (7) можно преобразовать уравнение (15) в:

/ \

к ■ т.

]_

2

г

(19)

Если с помощью формулы (3) преобразовать формулу (16), исключив из неё неизвестную да, то параметр к можно представить в виде:

К-ц

г (20)

с -д -со

к =

который можно рассчитать по заданным условиям задачи.

С помощью той же формулы (3) можно представить выражение (18) в виде:

\1 = т

(21)

Расчёт распределения температуры в камере сгорания

Таким образом, при определённых по начальным условиям значениям кит, получаем нелинейное алгебраическое уравнение (19) с одним неизвестным содержащим искомый параметр т.

Для дальнейших расчётов приняты следующие параметры задачи: Та = 573 К (300 °С) -начальная температура рабочей смеси; 1) = 1200 К - температура самовоспламенения расчётных частиц алюминия [1]; И = 0,04 м - диаметр жаровой трубы камеры сгорания; X = 0,0615 Вт/(м-К) - коэффициент теплопроводности водяного пара; с[

' = 9,53-10 Дж/кг - теплота сгорания ЭАВ (алюминиевый порошок АСД-4) в среде перегретого водяного пара [1]; д

Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. = 4,765-10 Дж/кг - теплота сгорания ЭАВ, отнесённая к 1 кг рабочей смеси (стехиометриче-ское соотношение весовых количеств алюминия и воды составляет 1 : 1); ср = 1655 Дж/(кг-к) - удельная теплоёмкость рабочей смеси при постоянном давлении; со° = 1,52 кг/(м3-с) - скорость химической реакции горения порошка алюминия в перегретом водяном паре.

Из работы [7] известно, что время гарантированного воспламенения и полного сгорания расчётной частицы алюминия диаметром 10 мкм составляет 1ох = 123,05 мс. В работе [6] приводится связь между скоростью химической реакции и временем реакции при известных плотности набегающей рабочей смеси рсм и массовой доли горючего компонента - ЭАВ -Еэав

РСМ § О., В

L

(22)

СО

Здесь рсм ~ (Рэм + Ршр) = (0,187 + 0,187) = 0,374 кг/м3 ng3AB = 0.5. Тогда скорость химической реакции

0,374-0,5

со =

0,123

= 1,52 кг/(м Чс).

Расчёты проводили с помощью Mathcad 14, используя вычислительный блок Given/Find и вычислительную функцию lsolve. Полученное распределение температуры по оси камеры в различных областях представлено на рисунках 1-3.

2000 1750 1500 1250 Т(х) 1000 ~ 750 500 250 0

"0.05 "0.038 "0.025 "0.012

0.0018 0.0036 0.0054 0.0071

Рисунок 1 - Распределение температуры рабочей смеси перед фронтом пламени

3500

3200

2900

Т(х)

"2600

2300

2000

0.0071

0.0148

0.0224

0.03

Рисунок 3 - Распределение температуры позади зоны горения ЭАВ

Рисунок 2 - Распределение температуры в зоне горения ЭАВ

\А Н"

I

Length х, m

Рисунок 4 - Осевое распределение температуры в модели камеры сгорания

На рисунке 4 представлено интегральное распределение температуры по оси модели камеры сгорания: Координата х представлена в метрах, температура - в Кельвинах.

Аналогично были выполнены расчёты по этой программе для определения распределения температуры в камере сгорания при других значениях коэффициента окислителя (перегретого водяного пара).

На рисунке 5 показано интегральное распределение температуры по оси модели камеры сгорания для различных значений избытка окислителя а: Т(х) при а =1,0; Т\(х) при а =2,0; Т2(х) при а =3,0.

Рисунок 5 - Осевое распределение температуры в модели камеры сгорания при

различных значениях а

Очевидно снижение максимальной температуры и сокращение длины зоны горения ЭАВ в потоке перегретого водяного пара при увеличении коэффициента избытка окислителя в камере сгорания. Результаты будут использованы при дальнейшем совершенствовании форкамеры сгорания водородного реактора.

Разработанная программа дала возможность рассчитать распределение температуры в цилиндрической камере сгорания, работающей на энергоаккумулирующих веществах. Максимальная расчётная температура горения порошкообразного ЭАВ (алюминий АСД-1) составила 3263К, что примерно отвечает известной теоретической адиабатной температуре для горения алюминиевого порошка в среде перегретого водяного пара [3].

Полученное распределение температуры даст возможность организовать требуемое внешнее охлаждение камеры сгорания.

Литература

1. Варшавский И.Л. Энергоаккумулирующие вещества и их использование. - Киев: Наук, думка, 1980.-240 с.

2. Кузнецов В.В., Кустарев Ю.С. Энергоаккумулирующие вещества как топливо для АГТД. / Автомобильная промышленность, 2000, №. 5. - С. 34.

3. Кустарев Ю.С., Кузнецов В.В., Родькин К.П.. Газопламенное нанесение покрытий с использованием энергоаккумулирующих веществ. / Автомобильная промышленность, 2001, №8.-С. 20-21.

4. Кустарев Ю.С., Кузнецов В.В. и др. Применение энергоаккумулирующих веществ в качестве альтернативного топлива для газотурбинных установок / Известия МГТУ «МАМИ» № 1(5), 2008. - С. 62-66.

5. Кустарев Ю.С., Кузнецов В.В. Энергоаккумулирующие вещества как альтернативное топливо для ГТД. / Известия МГТУ «МАМИ» № 1(9), 2010. - С. 22-25.

6. Вильяме Ф.А. Теория горения. Пер с англ. - М.: Наука, 1971. - 616 с.

7. Авдеев К.А., Фролов Ф.С., Фролов С.М. Окисление мелкодисперсных частиц алюминия в среде перегретого водяного пара // Горение и взрыв, Вып.З, 2010. - С. 110-117.

8. Кузнецов В.В. и др. Разработка системы питания энергоустановки на базе ГТД, работающей на энергоаккумулирующих веществах / Материалы 77-й Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров», М. МГТУ «МАМИ», 27-28 марта 2012. - С. 142-146.