1. ПОРИСТЫЕ ГОРЕЛКИ: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ЯВЛЕНИЯ И ПРОБЛЕМЫ...........................................9
1.1. Пористые горелки..................................................9
1.2. Характеристики пористых сред.....................................12
1.3. Теплофизические свойства пористых тел............................15
1.4. Термоупругие напряжения и деформации в пористых средах...........19
1.5. Фильтрация.......................................................25
1.6. Моделирование фильтрационного горения............................32
1.7. Выводы...........................................................42
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ..................................................44
2.1. Общие уравнения..................................................44
2.2. Частные варианты модели..........................................49
2.2.1. Напряженно-деформированное состояние рабочего тела.............49
2.2.2. Простейшая однотемнературная модель............................50
2.2.3. Простейшая двухтемпературная модель............................54
2.2.4. Двухслойное пористое тело .;...................................56
2.3. Материалы и их свойства..........................................62
2.4. Выводы...........................................................64
3. СТАЦИОНАРНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ПОРИСТОГО ГОРЕЛОЧНОГО УСТРОЙСТВА............................................................65
3.1. Однотемпературная модель.........................................65
3.1.1. Постановка задачи..............................................65
3.1.2. Распределение давления и температуры в горелке.................67
3.1.3. Алгоритм численного исследования...............................71
3.1.4. Анализ результатов.............................................72
3.1.5. Сжимаемый газ..................................................80
3.2. Двухтемпературная модель.........................................82
3.2.1. Постановка задачи..............................................82
3.2.2. Алгоритм численного исследования...............................83
2
3.2.3. Распределение температуры и концентрации......................85
3.2.4. Напряжения и деформации в пористом керамическом каркасе.......89
3.2.5. Исследование упрощенного варианта модели в безразмерных переменных...........................................................93
3.2.5.1. Постановка задачи...........................................93
3.2.5.2. Алгоритм численного решения.................................95
3.2.5.3. Режимы сжигания в условиях низкого теплообмена газа с внешней поверхностью.........................................................97
3.2.5.4. Режимы сгорания в условиях хорошего теплообмена газа, покидающего горелку, с ее внешней поверхностью......................104
3.3. Сравнение материалов и моделей.................................108
3.4. Выводы.........................................................110
4. СТАЦИОНАРНЫЙ РЕЖИМ СЖИГАНИЯ ГАЗА В ДВУХСЛОЙНОМ ПОЛОМ ПОРИСТОМ ЦИЛИНДРЕ.............................................111
4.1. Математическая модель..........................................111
4.2. Алгоритм численного решения задачи.............................114
4.3. Анализ аналитического решения..................................115
4.4. Результаты численного исследования модели......................117
4.5. Выводы.........................................................125
5. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ СЖИГАНИЯ ГАЗА
В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПОРИСТОЙ ГОРЕЛКЕ...................................126
5.1. Критические условия теплового взрыва...........................126
5.1.1. Постановка задачи............................................127
5.1.2 Алгоритм численного исследования..............................128
5.1.3. Анализ результатов...........................................130
5.2. Начальная стадия работы горелочного устройства..................135
5.3. Выводы.........................................................140
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ........................................141
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................143
Введение
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Элементы многих конструкций и аппаратов (лопатки турбин, поршни и цилиндры двигателей внутреннего сгорания, валки прокатных станов горячей прокатки, теплообменники в котельных и т.п.), работающих в агрессивных условиях, подвергаются сильным тепловым нагрузкам. Термические напряжения и деформации, возникающие в процессе эксплуатации, могут быть причиной разрушения, как отдельных деталей машин, так и конструкций в целом. Проблема разрушения рабочего тела под действием тепловых нагрузок возникает и при разработке пористых горелок.
Пористые радиационные горелки отличаются от традиционных тем, что горение природного топлива организуется внутри специального конвертора, изготовленною из металлических сеток, пористой керамики или металлокерамики. Режимы сжигания газа в таких условиях называют фильтрационными. В настоящее время пределы совершенствования свойств подобных теплогенераторов далеко не исчерпаны. В частности, показатели теплогенератора могут быть существенно улучшены за счет изменения физико-химических, механических, структурных и компоновочных свойств используемого пористого тела, что даст возможность целенаправленно управлять режимами горения.
Для оптимизации работы существующих горелок, разработки их новых вариантов требуется исследовать возможные режимы сжигания газа в пористом теле теплогенератора при варьировании технологических параметров (в том числе, геометрических). В экспериментальных исследованиях варьирование параметров в широкой области их изменения весьма затруднительно. Поэтому для изучения режимов горения прибегают к математическому моделированию. Математическое моделирование также необходимо для определения области допустимых технологических
параметров с целью предотвращения аварийных ситуаций, при разработке и оптимизации радиационных горелок. Если исследованию режимов горения газов в пористых средах посвящено огромное число публикаций (Бабкин B.C., Лаевский Ю.М., Коржавин А. А., Какуткина H.A., Минаев С.С., Дробышевич В.И., Жданок С.А., Добрего К.В, Футько С.И. Oliveira А.А.М., Kaviany М. , Barra A J., Howell J.R др.), то роли технологических условий не уделяется должного внимания. Например, недостаточно изучены
стационарные режимы сжигания газа в технологических условиях,
механические свойства пористых материалов, используемых для изготовления горелочных устройств, влияние геометрических факторов на рабочие параметры. Поэтому теоретическое исследование как
теплофизических процессов при сжигании газа в пористой среде, так и сопутствующего этому напряженно-деформированного состояния (НДС)
f
пористого рабочего тела до сих пор является актуальным1.
Цель работы: Теоретическое исследование напряженно-
деформированного состояния полого пористого цилиндра (рабочего тела горелки) при различных режимах сжигания в нем газа.
Для достижения цели необходимо:
1. Дать общую характеристику напряженно-деформированного состояния пористого рабочего тела в технологических условиях.
2. Сформулировать общую модель, позволяющую исследовать характер температурных полей в деформируемом пористом теле в различных условиях, приводящих к разным вариантам моделей сжигания газа.
3. Проанализировать распределение напряжений и деформаций в пористом теле для стационарных и нестационарных условий сжигания газа.
1 Работа выполнялась при финансовой поддержке фонда РФФИ (гра1гг№ 05-03-98000) и в рамках Интеграционных проектов СО РАН по программе «Энергосбережение» (2006-2008 гг)
4. Исследовать влияние геометрических и физических параметров пористых сред на величины термических напряжений и деформаций и характеристики процесса сжигания газа.
5. Изучить возможные критические явления.
Научная новизна работы:
В диссертационной работе впервые:
1. Сформулирована модель сжигания газа в полом пористом цилиндрическом теле конечной толщины, учитывающая одновременно протекающие физико-химические, диффузионные и тепловые процессы в газе; тепловые и механические процессы в пористом теле, взаимодействие пористого тела с теплообменником и продуктами сгорания.
2. На основе результатов численного моделирования выявлены критические условия, разделяющие стационарный и нестационарный режимы сжигания газа в пористом теле цилиндрической формы.
3. Получен ряд инженерных формул, удобных для оценки величины радиационного потока, уходящего к теплообменнику, и механических напряжений, возникающих в пористом теле в различных условиях.
4. Проанализировано напряженно-деформированное состояние пористого тела цилиндрической формы для стационарного и нестационарного режимов сжигания газа и различной компоновки слоев.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследования процесса сжигания газа в пористом теле и его НДС могут быть использованы для оптимизации реально существующих горелочных устройств и при конструировании их новых вариантов.
Достоверность результатов подтверждается тщательным тестированием программ, сравнением численных результатов с точными аналитическими решениями в различных предельных случаях, непротиворечивостью получаемых результатов и сравнением выводов теории с данными эксперимента.
6
/
Личный вклад автора заключался в анализе литературных данных, написании и отладке программ, численном исследовании сформулированных частных задач, обсуждении полученных результатов, формулировании основных научных положений и выводов. Все работы, опубликованные в соавторстве, выполнены при личном участии автора.
На защиту выносятся:
1. Модель сжигания газа в цилиндрическом пористом теле и результаты ее теоретического исследования в различных предельных случаях.
2. Результаты теоретического исследования напряженно-деформированного состояния одно- и двухслойных пористых цилиндров при различных режимах сжигания в них газа и различных свойствах слоев.
3. Существование критических значений технологических параметров, разделяющих, стационарный и нестационарный режимы сжигания газа.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 12 конференциях различного ранга:
XV Зимней школе-конференции по механике сплошных сред, (г. Пермь, 2007); XII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (г. Томск, 2007); III,IV Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 2007, 2008); III Российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2007);
XVI Всероссийской школе-конференции молодых ученых и студентов «Математическое моделирование в естественных науках» (г. Пермь, 2007);
V Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, 2008); III Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения» (г. Бийск, 2008);
VI Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы
7
современной механики» (г. Томск, 2008); VI Международной конференции «Методы аэрофизических исследований» (г. Новосибирск, 2008); VII Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (г. Новосибирск, 2009); Международной конференции по физической мезомсханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов” (г. Томск, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК и раздел в монографии.
Объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы из 120 наименований, содержит 55 рисунок. Общий объем диссертации 155 страниц.
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН.
8
1. ПОРИСТЫЕ ГОРЕЛКИ: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ЯВЛЕНИЯ И ПРОБЛЕМЫ
1.1. Пористые горелки
Явление распространения фронта горения в пористых средах при фильтрации газа привлекает все возрастающее внимание исследователей [1-22]. Научный интерес к этому типу явлений возник в ответ на запросы практики, активно включающей процессы фильтрационного горения в технологические схемы различного производства.
Под фильтрационным горением газа понимается [23] процесс распространения зоны газофазной экзотермической реакции в инертной пористой среде при фильтрационном подводе газообразных реагентов к зоне химического превращения. Подобные процессы представляют собой разновидность гетерогенного горения вследствие активного участия двух фаз - твердой пористой среды и реагирующего газа - в механизме распространения волн и имеют важное научное и практическое значение. Наличие двух фаз предопределяет многопараметричность процессов, разнообразие межфазных взаимодействий, появление фильтрационных и других эффектов гетерогенности. В результате взаимодействия различных физических процессов реализуются многочисленные стационарные и нестационарные тепловые , режимы горения, разнообразные условия протекания режимов превращения, волны горения с необычной структурой, свойствами и механизмами распространения [24, 25].
Одно из возможных практических приложений фильтрационного горения непосредственно относится к разработке экологически чистых пористых горелок, работающих на бедных смесях и обеспечивающих экономию газового топлива, практически полное сгорание газа в объеме пористого тела и высокий КПД.
Под термином «пористые горелки» [26] обычно понимают газовые горелки, использующие пористое тело для формирования зоны высокотемпературного химического превращения (зоны горения), где выделяется основная энергия топлива. Пористые горелки могут состоять из нескольких слоев, которые выполняют ряд разнообразных функций, обеспечивая сгорание горючей смеси, стабилизацию зоны горения, устойчивость зоны горения, выход эффективного ИК-излучения, полноту выгорания и др. Высокотемпературная часть инфракрасных горелок может быть изготовлена в виде плоских, цилиндрических, полусферических (или иных конфигураций) блоков, рационально размещаемых в топке теплогенератора соответствующей формы, что обеспечивает эффективный радиационный теплообмен [27].
Важным параметром, который определяет, реализуется или нет процесс горения внутри пористой структуры, является критический размер пор d•. Если размер пор меньше d^, распространение пламени прекращается, и пламя всегда затухает. Если размер поры превышает критическое значение, возможно распространение пламени во внутреннюю часть пористой структуры. Критический размер пор может быть определен через модифицированное число Пекле [3,4]:
где Si — скорость ламинарного пламени в газовой среде, dp — диаметр поры, cg - теплоемкость, pg - плотность, Xg - теплопроводность газа. Эксперименты Бабкина B.C. и др. [4] показали, что для распространения пламени в пористой среде должно выполняться неравенство:
Ре>65,
65
Следовательно, dp > d* =--------—.
$LcgPg
10
По степени завершения процесса предварительного смесеобразования газа с воздухом (перед воспламенением) атмосферные радиационные горелочиые устройства подразделяются на следующие категории [27]:
- диффузионные - без предварительного образования смеси газа и воздуха (иногда их обозначают «jet»);
- кинетические - с полным предварительным смешением газа и всего воздуха, требуемого для горения («premix»);
- диффузионно-кинетические - с неполным предварительным смешением части воздуха, необходимого для полного сгорания (первичного воздуха), и газа.
Сфера использования пористых радиационных горелок очень широкая: горелки для печей и сушилок при отоплении жилищ и других помещений; печи для обжига извести и шамота, кирпича и керамики; печи для варки стекла и силикатных материалов, выпечки хлебобулочных и кондитерских изделий, сжигания газа в печах и сушилках металлургических и машиностроительных заводах; водогрейные котлы, парогенераторы, калориферы, генераторы электрической энергии, устройства предпускового подогрева двигателя и др.[2,3,26].
В отличие от традиционных факельных горелок, радиационные горелки обладают рядом преимуществ (за счет более интенсивного теплообмена и стабилизации процесса горения внутри пористой среды) [3]:
• высокой плотностью тепловыделения, т.е. пористая горелка и теплообменник в 10 раз меньше в объеме по сравнению теплообменниками факельных горелок со сравнимыми термическими нагрузками;
• очень низким выбросом вредных веществ (СО <7 мг/кВт, NOx <25 мг/кВт), что приводит к снижению расходов, связанных с необходимостью очистки выбросов;
• стабильностью горения для коэффициента избытка воздуха а=1.05-1.9;
11
• широким, практически бесконечно изменяемым диапазоном динамический мощности 1:20 по сравнению с традиционными горелочными системами, которые показывают диапазон 1:3;
• при одинаковой производительности котлов расход топлива в радиационных горелках снижается на 20% по сравнению с традиционными горелками.
В качестве топлива в радиационных пористых горелках, в основном, применяют метан СЯ4, пропан СзЯ8, бутан С4Я10 и водород Я2, а также смеси этих газов с воздухом [2,3,28].
1.2. Характеристики пористых сред
Под пористой средой обычно понимают твердое тело, содержащее пустые промежутки (поры), распределенные более или менее равномерно по объему тела [29].
Основной характеристикой такой среды является пористость. Объемная пористость материала т определяется как отношение объема пор Ут к объему тела У0
т = — .
г0
Поскольку остальная часть Уг общего объема материала занята частицами твердого каркаса, то отсюда следует:
1 УТ
1 - т = .
Го
В частности, для пористых материалов с каркасом из сферических частиц диаметром пористость можно определить из соотношения
1 л г
т = 1 - N.. —-,
3 6
где Я3— число частиц в единице объема.
12
Под структурой пористого тела понимают геометрическое строение твердого каркаса, характеризуемое взаимным расположением его элементов.
Для описания структуры пористых тел используются, как правило, упрощенные модели [6-9, 29], в основе которых лежит либо представление о порах тела как о капиллярных цилиндрических трубах, либо пористое тело рассматривается как система сферических частиц, которые могут быть и пустотелыми. Эти шары могут быть уложены различным образом. Известно, что наибольшая пористость получается при использовании одинаковых по размеру сферических зерен [29]. В качестве простейших форм укладки можно привести кубическую или ромбическую.
В реальных материалах практически всегда имеются зерна различных размеров, что заметно снижает пористость и размер пор. Например, при ромбической упаковке диаметр поры, образованной четырьмя шарами диаметром (1Ъ равен 0.156 тремя шарами диаметром г/3 и одним шаром диаметром 0.5 б/3 — 0.118 <^3, при добавлении второго шара малого диаметра размер поры снижается до 0.094 ^3. Особенно резко пористость снижается в тех случаях, когда мелкие частицы располагаются в порах, образованных крупными зернами.
Пористые материалы обладают развитой внутренней поверхностью. Обычно указывают удельную поверхность, под которой понимают суммарную площадь поверхности внутренних пор (5Р), приходящуюся на единицу объема материала (Утеда)'
5 _
Ьуд ~ у
у тела
Величина удельной поверхности играет важную роль при расчете теплообмена между твердым каркасом и протекающим сквозь него газом. У проницаемых материалов, обладающих мелкозернистой структурой, удельная внутренняя поверхность намного больше, чем у материалов с крупнозернистой структурой. Формула для расчета площади внутренней поверхности материалов, спрессованных из сферических частичек, имеет вид
- Киев+380960830922