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

Основными источниками энергоресурсов в мире являются нефть, природный газ, каменный и бурый угли. Доля нефти в мировом потреблении энергоресурсов составляет 40%, углей — 27%, газа — 23%. 7% энергоресурсов вырабатывают атомные электростанции. На долю ветряной, солнечной и гидроэнергии приходится около 3% [1].

Нефть, природный газ, уголь и уран являются невозобновляемыми источниками энергоресурсов и, естественно, что эти источники через какое-то время иссякнут. По прогнозу Международного Энергетического Агентства (МЭА) кратность мировых запасов нефти (отношение подтвержденных промышленных активных запасов к уровню годовой добычи) оценивается в 45−50 лет, газа — в 50−70 лет, угля — в 200−400 лет, урана — в 40−45 лет. Вместе с тем мировое потребление энергоресурсов непрерывно возрастает, и прежде всего, встает вопрос о замене нефти, из которой производится около 99% моторных топлив на другой вид сырья.

Поиск для замены нефтяных топлив на синтезированные из других видов сырья, разработка прогрессивной технологии производства синтетических топлив и их рационального применения на транспортных средствах становятся в настоящее время весьма актуальными задачами научно-исследовательских работ.

Конечно, в качестве альтернативного по отношению к нефти сырью рассматриваются, прежде всего, бурый и каменный угли, запасы которых еще остаются достаточно большими.

На сегодняшний день уже имеются доведенные до промышленного внедрения технологии производства синтетических моторных топлив из угля. Товарные синтетические топлива из бурых углей производятся в промышленных масштабах фирмой SASOL (ЮАР). Потенциальными производителями синтетических моторных топлив из угля являются фирмы BP, Conoco-Phillips, Shell Malaysia, Exxon Mobile Qator, Chevron. Достаточно продвинутая технология производства реактивного топлива из природного газа разработана в США.

Однако уголь и природный газ, как и нефть, являются невозобновляемыми сырьевыми энергоресурсами. Кроме того, извлекая из недр уголь и природный газ и превращая их в конечном итоге в диоксид углерода, человечество увеличивает концентрацию СО2 в атмосфере и, тем самым, способствует усилению парникового эффекта, вызывающего потепление климата на Земле с вытекающими из этого катастрофическими последствиями.

В настоящее время концентрация углекислого газа в атмосфере составляет примерно 400 ррм. Это в два раза больше, чем до начала промышленной революции XVIII века. К 2050 году концентрация С02 в атмосфере может достичь 500 ррм [2].

Парниковые газы (пары воды, диоксид углерода, метан) сами по себе необходимы для жизни на Земле. Пропуская через себя солнечное излучение и задерживая обратное излучение Земли, они предотвращают полное рассеивание тепловой энергии, получаемое Землей от Солнца, и поддерживают на поверхности нашей планеты температуру, подходящую для жизни и простейших, и самых сложных организмов. Но если таких газов станет слишком много, то средняя температура на земле повысится, что может привести к таянию полярных ледяных шапок с катастрофическими последствиями для всего живого на Земле.

Единственным' альтернативным топливом по отношению к нефтяным, при сгорании которого не образуется углекислого газа, является водород. Но современные способы получения водорода связаны с большими энергозатратами и использованием в качестве сырья тех же природного газа и угля. Кроме того, водород, даже жидкий, из-за малой плотности и низкой температуры кипения, в настоящее время может рассматриваться только в качестве топлива для особых случаев применения. Как топливо массового применения, водород может найти место только с развитием ядерной технологии и освоением искусственного фотосинтеза.

В настоящее время ширится движение за получение моторных топлив из возобновляемого сырья: растительной биомассы, отходов промышленного, бытового и сельскохозяйственного производства. Разработаны альтернативные моторные топлива, вырабатываемые из кукурузы, сахарного тростника, рапса и других сельскохозяйственных культур. Это обычно спирты и эфиры, при сгорании которых также образуется углекислый газ, но это тот углекислый газ, который был ранее поглощен растением из воздуха и, следовательно, применение растительной биомассы в качестве сырья для производства моторных топлив не увеличивает содержание СОг в атмосфере.

В 2007 году мировое потребление нефти составило около 4-х миллиардов тонн. 2/3 из них приходится на транспорт. От этого количества на долю воздушного грузового и пассажирского транспорта приходится всего около 10% [3]. Тем не менее, США и ряд европейских стран проводят широкие исследования по разработке синтетических реактивных топлив из ненефтяного сырья.

Настоящая работа проводилась с целью определения рационального направления в разработке альтернативного (ненефтянош) топлива для авиационных газотурбинных двигателей и формирования технических требований к такому топливу, а также определения основных эксплуатационных свойств и характеристик биотоплива в условиях его нагрева в обеспечение создания научно-технического задела для разработки авиадвигателей нового поколения на альтернативных (ненефтяных) топливах.

Диссертация включает 5 глав.

В первой главе приведен обзор опубликованных работ по проблеме создания и применения альтернативных (ненефтяных)синтетических топлив, сформулирована цель и поставлены задачи настоящей работы.

Во второй главе приведены результаты экспериментального определения основных эксплуатационных свойств российского авиабиотоплива.

В третьей и четвертой главах представлены результаты исследований теплообмена и коксоотложения при течении авиабиотоплива в обогреваемых каналах топливоиспользующих агрегатов авиадвигателей в условиях термоокисления и термодеструкции.

В пятой главе приведены результаты расчета характеристик топливо-воздушного теплообменника-реактора системы охлаждения воздуха перспективной авиационной силовой установки.

выход плита оо’оо оо’ооу/Ьо'оо ооЬо1 |фф|фффф|фф |фф|фффф|фф| ф ф|фс|) 4>Ф|Ф4> 1 >р< > < >с ю <)| >Ф'ф® Ф<�ЩФ'.

Ф|ФО>Ф<�р (ФФ (.

0 00 <>€><><).

Ф Ф’Ф<�Э фф’фф |ф Ф (ФСЬ ФФ|ФФ <0000 ОО (>(> о <><>!< >< > р<>|00 <>0|С>0 [фффффффф.

1 ¦ ¦ ' I I I I I I I.

Рисунок 5.28. Конструктивная схема трубчатого перекрестноточного ТР (вид сбоку).

1 «Ф.

Ал?, го X со К.

ТОПЛИВО Т^ выход.

Модули газификации ¦ топлива отвод нагретого топлива на фильтр ^ (место установки уточняется после испытаний).

Теплоизоляция Силовой корпус.

Рисунок 5.29. Конструктивная схема трубчатого перекрестиоточного ТР (вид сверху).

О иг> V трубки? 3коплектора 6 рядов труб 12 двухззходных рядов труб.

10 рядов труб поперек потока греющего газа.

ЭЫбин <1нар=5мм. <1вн=4мм.

Б2 э ыо тъ кь.

1г<350 си гП.

— СО.

— чэф.

3* ш о.

— о.

СХ 00 вход топлива.

32=15мм для одиночных рядов труб 82=9мм для двухзаходных рядов труб.

Рисунок 5.30. Схема расположения трубок в блоке ТР.

В ТР используются теплообменные модули двух типов. Модуль из одиночных труб (конструктивная схема рис. 5.31) представляет собой коридорный пучок труб с общими трубными досками и крышками, образующими раздающий и сборный коллекторы. На трубных досках имеются плоские боковые фланцы с отверстиями, посредством которых модули соединяются в единый блок. Количество труб в модуле поперек потока греющего газа ]МПОП=10, по потоку — Н, р=1. Количество таких модулей -6.

Модуль из двухзаходных рядов труб (конструктивная схема рис. 5.32) представляет собой коридорный пучок труб с общими трубными досками и крышками, образующими раздающий и сборный коллекторы. На трубных досках имеются плоские боковые фланцы с отверстиями, посредством которых модули соединяются в единый блок. Количество труб в модуле поперек потока греющего газа N"0, =10, по потоку — N^=8. Количество таких модулей — 3. В модуле из двухзаходных рядов труб предусмотрен зазор между изогнутыми участками труб и трубными досками и крышками Ь3 =2.4 мм.

Вариант исполнения двухзаходных рядов труб представлен на рис. 5.33. Трубки изогнуты с радиусом изгиба по средней линии Кюг = 9 мм. Для обеспечения одинаковой длины, трубки выполнены с отгибом друг от друга с радиусом отгиба Котг= 9. 12 мм. При отгибе обеспечены зазоры 8 Т и как между трубами одного продольного ряда, так и соседних рядов. Для повышения жесткости и устойчивости трубки в каждом продольном ряду могут скрепляться (паяться) узкими пластинками.

Конструкция теплообменных модулей паянно-сварная, что обеспечивает высокую герметичность системы при воздействии повышенных температур и давлений. Соединение трубок в трубных досках осуществляется пайкой, а крышки и штуцера привариваются. Подвод и отвод топлива из модуля осуществляется через патрубки со штуцерами. На рис. 5.34 представлена схема соединения труб к трубной доске и узла подачи и отвода топлива в модуль из одиночной трубки. Подача топлива в коллектор осуществляется через патрубок диаметром с1П1=7.5мм для однозаходных рядов труб. На входе в каждую трубку предусматривается установка дроссельных шайб. В первом заходе трубок каждого модуля устанавливаются шайбы с гидравлическим диаметром с10=1,5 мм. На рис. 5.38 представлена схема перехода от модулей с одной трубкой к модулям с двухзаходными рядами труб. Диаметр патрубка в этом случае составит с1п2 = 9,5 мм. Геометрия и расположение дросселирующих сужающих устройств (шайб), обеспечивают равномерность раздачи топлива по трубкам. л сз ю V 1.

ИГ.

Рисунок 5.31 — Конструктивная схема теплообменного модуля из одиночных труб 5 2.

Б2 т ж и Ж сэ.

1С) т Т.

У" .

К' 3 1 в.

Рисунок 5.32 — Конструктивная схема теплообменного модуля из двухзаходных рядов труб.

Применение модулей позволяет легко, имея в виду опытный характер ТР, менять его конфигурацию, повышает ремонтопригодность теплообменника и его надежность (преимущество технологии изготовления серии однотипных изделий). Кроме того, использование модулей позволяет «разбивать» температурный градиент в одном из основных напряженных элементов — трубных досках и тем самым увеличивать возможности компенсации температурных расширений трубок в пределах одного модуля, обеспечивает возможность вывода топлива на очистку во внешнем устройстве (фильтре).

Соединение модулей по топливу осуществляется с помощью резьбовых соединений, образованных перепускными трубками с припайными ниппелями и накидными гайками и штуцерами на подводящих и отводящих патрубках модулей и соответствующих коммутирующих каналов в нижней силовой плите. Как было указано выше, для обеспечения возможности п/ф перехода, ТР разбивается на две зоны — 1) модули подогрева топлива, 2) модули газификации топлива.

Подводящий трубопровод топлива — гидравлический диаметр 14 мм. Из модуля в модуль топливо передается по трубам и коммутационным каналам, выполненным в нижней силовой плите.

На рис. 5.35 показана схема движения топлива в теплообменнике. За последними одиночными рядами труб (поперек потока газа) предусмотрен сбор топлива в общие коллектора, регулируемое дросселирование и перепуск топлива на фильтр. Место установки отвода топлива на фильтр будет уточняться. Трубопроводы подачи, отвода и перепуска топлива располагаются в силовом корпусе и их вывод наружу обеспечивает возможность разборки теплообменника, при снятии силового корпуса с модулей. Соединение модулей по топливу разъемное. На выходе из ТР топливо собирается в общий коллектор, диаметр трубопровода вывода газифицированных продуктов 20 мм. Разгруженность конструкции ТР от перепада давления между греющим теплоносителем и внешней средой обеспечивается возможностью протока греющего газа в полость между внешним силовым корпусом и блоком модулей. Одновременно блок разгружается не только от перепада давлений, но и от перепада температуры. Греющий газ из этой полости эжектируется основным потоком газа на выходе из ТР. Величина газообмена в полости выбирается из условий: 1) -термостатирования конструкции, и 2) -вентиляции с целью предотвращения накопления паров топлива.

Рис. 5.33. Вариант исполнения двухзаходных рядов труб.

Рис. 5.34. Схема соединения одиночных труб к трубной доске.

Фильтр ^ Фильтр ^.

Фильтр %.

Вход топлива л —ы.

Фильтр

— е*.

Фильтр ^ Фильтр ^.

Перепуск ^.

Т^Ч ¿-'ТТЛ ?ТЛ ?гТЛ ГГ' лп.

141 и,.

J и I.

11 Г.

11 Г.

1ПР.

1ПГ.

-«6 I.

Выход топлива го гО пз о и аи т сс. о. о се о X со.

Рис. 5.35. Схема движения топлива в теплообменнике — реакторе.

Для контроля за процессами тепломассообмена, происходящими при запуске и на расчетном режиме работы ТР, некоторые теплообменные модули и элементы конструкции силового корпуса препарированы датчиками измерения температуры топлива и поверхности элементов и датчиками давления топлива и греющего газа.

Как отмечено выше, использование фильтра должно минимизировать величину коксоотложений в трубках модулей газификатора. Основные конструктивные особенности:

— простота конструкции,.

— возможность замены фильтрующих элементов,.

— обеспечение длительной работы фильтра (ЮОчасов) при повышении потерь давления не более чем на 5ата,.

— силовой корпус работает под давлением не менее бОата при температуре топлива до 350 °C, фильтр теплоизолирован снаружи (минимальные теплопотери в окужающую среду).

На рис. 5.36 представлен вариант конструктивной схемы цилиндрического фильтра.

Фильтр состоит из силового корпуса с фланцем, крышки и патрубков подвода и отвода топлива. Снаружи фильтр теплоизолирован. Кольцевые фильтрующие элементы разделены цилиндрическими стенками, которые обеспечивают движение топлива от периферии к центру. Перегородки образуют камеры перепуска в которых осуществляется поворот потока топлива между фильтрующими элементами. В качестве набивки фильтрующих элементов используется гофрированная лента с просечками. Движение топлива с периферии к центру обеспечивает запас фронтальной площади на наиболее жестком с точки зрения коксоотложений начальном участке.

На рис. 5.37 в качестве примера представлены результаты расчета закоксовывания трубок ТР при установке фильтра после 4-го модуля, полученные при газификации топлива. Видно, что увеличение числа заходов по фильтру (площади и времени пребывания) приводит к значительному уменьшению толщины коксоотложений на поверхности трубок ТР за фильтром.

Теплоизоляция.

ЧУУЛ'.*.

У Перегородки Н^Жзмеры перепуска.

Кольцевые.

Фильтрующие элементы.

Рисунок 5.36. Конструктивная схема корпуса фильтра.

Рисунок 5.37. Пример расчета закоксовывания трубок ТР при использовании фильтра.

Испытания ТР по газификации биотоплива проводились на установке при следующих параметрах теплоносителей: а) холодный теплоноситель — углеводородное биотопливо: -расход 0С=0,002.0,1 кг/с;

— температура на входе Тср150 °С;

— давление на входе РС} <80 бар б) горячий теплоноситель — греющий газ:

— расход Од =1,4 кг/с;

— температура на входе Т9] <800 °С;

— давление на входе Рд| <7 бар.

В состав установки входят: -технологическая система подачи греющего газа (продукты сгорания углеводородного топлива) — -топливная система;

— система автоматики и управления регулирующим оборудованием- -автоматизированная система сбора информации и обработки данных- -система теленаблюдения и связи.

Для исследования процесса газификации установка оборудована системами отбора проб и измерения газосодержания.

Пример программы выхода ТР на номинальный режим при запуске приведен на рис. 5.38.

Испытания в течение 100 час при температуре греющего газа до 900 градусов и степени газификации биотоплива до 90% подтвердили работоспособность ТР и стабильность его характеристик.

Т, С.

200 г У и I.

Г. 5.

— 0.08 вс. кд/Б.

0.06.

0.04.

0.02.

— 1-г——-1—-г.

0 200 400 600 ^ вес 800.

0.00.

Рисунок 5.38. Пример программы выхода ТР на номинальный режим по расходу топлива 0С=0,07 кг/с при повышении температуры греющего газа от 200 до 750 °C.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненных экспериментальных и расчетных исследований эксплуатационных свойств реактивного биотоплива, а также теплообмена и коксоотложения при течении биотоплива в каналах топливо-использующих 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 увеличить скорость потока, снижать температуру топлива на входе в канал и уменьшить тепловой поток. Для снижения коксоотложений при протекании процесса их образования в области диффузионного торможения необходимо уменьшить 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 топлив. Установлено, то при больших тепловых нагрузках возникает резкое ухудшение теплоотдачи. Показано, что деструкция топлив тормозит рост температуры стенки при ухудшении теплоотдачи, если реакция протекает в кинетическом режиме. Если реакция протекает в диффузионной области, то удушение 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 (ТР) системы охлаждения воздуха перспективной авиационной силовой установки на биотопливе. Показано, что перекрестноточный ТР модульной конструкции с коридорным расположением труб обеспечивает до 90% превращения биотоплива при температуре горячего газа до 900 °C. Испытания ТР в ЦИАМ на ресурс (наработка 100 часов) подтвердили работоспособность ТР на биотопливе.

6. Полученные экспериментальные и расчетно-теоретические данные по эксплуатационным свойствам авиабиотоплива, теплообмену и 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.