При изучении закономерностей парообразования на поверхности с коксоотложениями следует рассмотреть три аспекта процесса: зарождение парообразования, интенсивность теплоотдачи при кипении и наступление кризиса кипения.

Эксперименты, проведенные с реактивными топливами для условий естественной конвекции, показали, что образование отложений оказывает незначительное влияние на коэффициент теплоотдачи. Была изучена теплоотдача как на поверхности после 16-и суток окисления при температуре 114 °С, так и после развитого пузырькового кипения в течении 8 часов при q=200 кВт/м2 и Ps=0.5 МПа. Структура отложений, образовавшихся при данных температурах, приведена на фотографии (Рис.12).

Рис.12. Структура отложений на поверхности 1Х18Н9Т при нагреве

 реактивного топлива ТС-1.

Верхняя часть фото –после 16 –и суток окисления при Тст=114-116 оС

Нижняя часть фото –после 8 –и часов развитого кипения при Тст=278 оС

Сопоставление экспериментальных данных для топлив с расчетной зависимостью (4), полученной для гладких поверхностей, показало, что коксоотложения несколько снижают a. Погрешность расчета по этой зависимости составляет 28 %. Однако, если в этом выражении несколько изменить значение постоянного множителя и показателя степени, то расчетная зависимость

                 (6)

позволяет описать опытные точки для всех реактивных топлив с погрешностью до 12 %. Аналогичные результаты получены и для других топлив (бензин А-76, АИ-93 и дизельного топлива) в интервале давлений Ps=0.1-1.1 МПа и плотности теплового потока q=1.1-7.6 кВт/м2.

В этом выражении за определяющую величину принят диаметр трубки.

Определение условий возникновения паровой фазы и зарождения пузырей на твердой поверхности является одной из наиболее сложных и важных задач физики кипения жидкостей. Этот вопрос еще более усложняется для поверхности, покрытой отложениями. На рисунке 13а приведены результаты экспериментов по изучению условий возникновения пузырей на поверхности кипения, покрытой отложениями для топлива ТС-1. Сплошная линия соответствует поверхности, обработанной по техническому классу чистоты (Ñ6 - 7 и ниже) со средней глубиной впадин до 10 мкм,  без отложений.

Как видно из этого рисунка, условия образования отложений вносят существенный вклад на значение теплового потока, необходимого для зарождения паровых пузырей. Если для поверхности после 16 суток окисления при температуре 114 °С мы наблюдаем значительный рост необходимого теплового потока для зарождения пузырей, который достигает до 3-4 кВт/м2, то для поверхности, подвергнутой заранее 8 часам развитому пузырьковому кипению при плотности теплового потока q=200 кВт/м2 и Ps=0.5 МПа, значение перегрева и соответственно плотности теплового потока влияет незначительно (не превышает 1.5 кВт/м2 для всего диапазона исследованных давлений). Объяснение этому можно найти в структуре образования самих отложений (см.рис.12). Как уже отмечалось ранее, при пониженных температурах на поверхности (имеется в виду Тст.=114-116 оС) в основном откладываются смолообразные осадки, которые в свою очередь забивают имеющиеся шероховатости. Последнее приводит к необходимости роста перегрева трубки для условия зарождения на ней парового пузыря, что мы и наблюдаем.

На поверхности, подвергнутой 8 часам развитому пузырьковому кипению, образовавшиеся отложения состоят, кроме смолообразных отложений, также из асфальтено-смолистых и карбено-карбоидных отложений, которые, как известно, представляют из себя более высокомолекулярные соединения и являются предшественниками образования кокса. Отложение последних приводит к образованию пористых структур на поверхности, в связи с этим шероховатость поверхности по сравнению с предыдущей поверхностью оказывается выше. Причем эти поры забиваются не топливом из объема системы, а обогащены соединениями, содержащими смолообразную структуру, т.е. температура их кипения намного выше, чем температура кипения самого топлива.

Замедление зарождения паровых пузырей по сравнению с чистой поверхностью можно объяснить только низкой теплопроводностью и толщиной этих отложений.

Аналогичные результаты получены также при обратном переходе от режима одиночных пузырей к однофазной конвекции. Здесь наблюдалось незначительное снижение плотности теплового потока, т.е. имел место своего рода гистерезис вырождения кипения как для чистой поверхности, так и для поверхности с отложениями. Причем величина гистерезиса для чистой поверхности лежит в пределах 1-1.5 кВт/м2, а для поверхностей с отложениями составляет до 3-5 кВт/м2.

а)

б)

Рис.13. Влияние коксоотложений на переход

а) -от режима естественной конвекции к пузырьковому кипению;

б) - от режима пузырькового кипения к естественной конвекции.

На рисунке 13б представлены результаты экспериментов для топлива ТС‑1. Следует также отметить, что вырождение пузырей на поверхности после 8 часов развитого кипения происходит значительно позже, чем для чистой поверхности и поверхности после однофазного окисления, что также объясняется природой процесса кипения. Динамические процессы на поверхности кипения, связанные с ростом парового пузыря, приводят к деформации образовавшихся отложений, что приводит к росту неровностей и шероховатости. Для отложений, образовавшихся при повышенной температуре, как уже отмечалось ранее, свойственно присутствие асфальтено-смолистых и карбено-карбоидных соединений, шероховатость которых оказывается значительно выше, чем для поверхности с смолообразными отложениями.

Аналогичные результаты получены также для топлив РТ, Т-6, Т-1.

Для расчета теплоотдачи при кипении топлив на поверхности, покрытых отложениями, теплофизические свойства которых заметно отличны от свойств металла, известные формулы, полученные при кипении на трубках в начале наработки, когда отложений не было, в общем случае оказываются непригодными. Это обусловлено тем, что появление слоя малотеплопроводных отложений на металлической стенке приводит к изменению условий для зарождения и роста паровых пузырей. В зависимости от природы образовавшихся отложений, значительно претерпевается изменению шероховатость поверхности, а также заметно уменьшается коэффициент аккумуляции тепла на стенке , что в свою очередь снижает интенсивность теплоотдачи. Кроме этого, отложения оказывают влияние на возникновение температурных пульсаций при испарении микрослоя жидкости в окрестности центров парообразования.

Как показали предварительные эксперименты, влиянием шероховатости стенки, вследствие образования отложений при развитом кипении, можно пренебречь, так как в условиях развитого пузырькового кипения коэффициент теплоотдачи в течение значительного времени изменяется незначительно. Кроме того, как показали эксперименты по зарождению пузырей (Рис.13), отложения, образованные в условиях кипения, оказали меньшее влияние на образование паровой фазы, чем смолообразные отложения, которые образуются при пониженных температурах. В связи со всем вышесказанным можно заключить, что на поверхностях нагрева, обработанных по техническому классу чистоты (Ñ6‑7 и ниже) со средней глубиной впадин до 10 мкм, т.е. достаточно грубо, изменение шероховатости за счет коксоотложений не оказывает влияния на коэффициент теплоотдачи.

Среднее значение глубины проникновения температурных пульсаций при испарении микрослоя топлив с поверхности отложений, согласно оценкам, выполненным по формуле

,          (7)

не превышает 0.1 мм.

Для описания теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в условиях образования на поверхности нагрева отложений получена расчетная зависимость

,                                    (8)

где a рассчитывается из уравнения (5).

Параметр  определяется из выражения

[dотл/hср+(1-dотл/hср)2 ]2 .           (9)

Выражение (8) отличается своей универсальностью. Так для чистой поверхности выражение под корнем =1. Для условия, когда толщина отложений dотл, превышает величину глубины температурных пульсаций (hср/dотл<1), расчет ведется согласно теплофизическим свойствам отложений, а для случая, когда (hср/dотл>1), используется выражение (9)

Погрешность расчета по зависимости (8) не превышает ± 35 % для всех исследованных топлив.

Глава 4 посвящена моделированию процессов теплообмена и образования коксоотложений при течении углеводородных топлив в топливных каналах силовых и энергетических установок. Предложена трехстадийная схема образования веществ кокса

                            Топливо + Кислород   Промежуточные продукты

Промежуточные продукты + Топливо  ВМС                                     (10)

                                                        ВМС  кокс

Рассмотрим окисление углеводородов по этой схеме при развитом турбулентном течении в обогреваемых каналах.

Поскольку концентрации продуктов окисления весьма малы (~10-4 моль/л) и концентрация кислорода незначительна (~10-2 моль/л), изменением концентрации топлива и тепловыми эффектами реакции окисления можно пренебречь, и течение окисляемого топлива можно отнести к классу течений химически реагирующих сильно разбавленных жидкостей.

Система уравнений гидродинамики и теплообмена записывается в виде:

 ,                                (11)

  ,                                                            (12)

,                                                                                      (13)

                                                                          (14)

,                                                 (15)

                                                                        (16)

                                                                               (17)

                                                                                  (18)

                                                          (19)

с граничными условиями:

x=0: wx=, wr=0 h=hо(r);

r=0:  ;                                                                 (20)

r=rw: wx=wr=0 ; -

В этих уравнениях: wx и wr –составляющие скорости вдоль оси трубы x и радиуса r; h –энтальпия; P –давление; r –плотность; t и q –суммарное (молекулярное и турбулентное) касательное напряжение и поперечный тепловой поток, которые выражаются через кинематический коэффициент турбулентной вязкости et и коэффициент турбулентной температуропроводности eq; m –динамический коэффициент вязкости; l ‑коэффициент теплопроводности; Cp –теплоемкость.

Тогда выражения (14) и (16) с учетом (17) и (18) перепишутся в виде

t;    q=                 (21)

где Pr=n/a ‑молекулярное число Прандтля;

Prт=et/eq –турбулентное число Прандтля, которое принимается равным единице.

Коэффициент турбулентной вязкости при переменных физических свойствах et рассчитывается по формуле В.Н. Попова (Попов В.Н. и др. Теплообмен и турбулентное течение воды сверхкритических параметров состояния в вертикальной трубе при существенном влиянии свободной конвекции. //Теплоэнергетика. 1986. №4. С.22-29):

,            (22)

Коэффициент турбулентной вязкости при постоянных физических свойствах  определяется по формуле Рейхардта, уточненнной для относительно малых чисел Рейнольдса (3.103 £ Re £ 2.104):

  (23)

Здесь R=r/rw=1-h/hо , hо= .

Система уравнений баланса масс имеет вид:

, i=1,2,3       (24)

где ji -соответственно, источниковый член. Для кислорода (i=1), промежуточного продукта (i=2) и ВМС (i=3); сi‑весовая концентрация; Di и DTi соответственно коэффициенты молекулярной и турбулентной диффузии, рассчитываемые согласно теории кинетики химических реакций.

Граничные условия :

r=0; =0.

х=0; C1=Co; C2,3=0                                                (25)

r=rw ;  ;  .

Запишем выражения для источниковых членов:

j1=K1c1cRHr2/МRH ;

j2=K1c1cRH/-K2c2cRHr/МRH;                             (26)

j3=K3c3cRHr2/МRH

Мi -молекулярная масса, кг/кмоль; Ki=Ai.exp(-Ei/RT) -константы скоростей реакций окисления углеводорода.

Система уравнений (11-26) решается конечно‑разностным методом.

В качестве последнего граничного условия (25) принято равенство диффузионного потока потоку массы вследствие реакции на стенке: J3w=Kwc3w, где Кw -константа скорости реакции на стенке. Величина Kw выбрана из условия совпадения с экспериментом по скорости образования коксоотложений в кинетическом режиме.

Для учета влияния дезактивации металлической поверхности вследствие коксоотложений принималось, что скорость дезактивации имеет первый порядок по константе скорости основной поверхностной реакции:

  ,                              (27)

где tн -время наработки, Kg -константа скорости дезактивации, определяемой по изменению доли площади поверхности, покрываемой отложениями.

Данная модель позволила детально изучить свойства процесса коксоотложения на основе результатов численного моделирования. Это особенно важно при изучении такого сложного процесса, как термоокисление топлив, т.к. многие стадии этого процесса практически не поддаются экспериментальным исследованиям.

Рис.14. Распределение концентраций продуктов окисления

реактивного топлива  РТ по длине канала х

(трубка Æ4х1500; 1 -О2; 2 –промеж. прод.; 3 -ВМС).

Результаты моделирования условий образования кокса при течении нагреваемых топлив в каналах продемонстрированы на рис. 14, где  приведена зависимость среднемассовых концентраций кислорода, промежуточного продукта, ВМС по длине канала х при тепловой нагрузке qw=3,8.105 Вт/м2; расходе G=0,585.10-2 кг/с; и температуре на входе Твх=373 К для топлива РТ. Концентрация примесей принималась равной нулю.

В главе 5 представлены данные по теплообмену и образованию отожений при течении углеводородных топлив в условиях реализации химического хладоресурса.

Химический хладоресурс так же, как и физический, может использоваться при подводе тепла к топливу непосредственно от теплонапряженных элементов при их охлаждении или же как промежуточный теплоноситель (например, в топливо-воздушном или топливо-газовом теплообменнике). При этом продукты химических превращений топлив могут быть перед подачей в камеру сгорания использованы в качестве рабочего тела для привода агрегатов системы топливопитания двигателя. Появляется возможность разработки комбинированных ВРД новых схем, работающих по более современным, чем цикл Брайтона, термодинамическим циклам за счет использования возможностей топлива как хладагента, рабочего тела с высокой газовой постоянной и высококалорийного горючего.

Исследования закономерностей термической деструкции топлив проводились при атмосферном и повышенном давлениях и температурах до 900 oС на экспериментальной установке (Рис.4). В результате проведенных опытов установлено, что при температурах ниже 575-600 оС газообразование практически не наблюдается. Повышение температуры выше 575-600 оС приводит к появлению газообразных продуктов, что свидетельствует о термическом разложении топлив. Увеличение времени пребывания (контакта) также способствует росту газообразования. Изучение же закономерностей образования отложений при термической деструкции показало, что в условиях турбулентного течения металлическая поверхность покрывается тонким сплошным слоем кокса.

Страницы: 1, 2, 3, 4