Учебная работа № 3695. Реализация хладоресурса углеводородных топлив в силовых и энергетических установках
Учебная работа № 3695. Реализация хладоресурса углеводородных топлив в силовых и энергетических установках
На правах рукописи
ГАЛИМОВ ФАРИД МИСБАХОВИЧ
Реализация хладоресурса углеводородных топлив в силовых и энергетических установках
05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Казань
Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете
Научный консультант: доктор технических наук, профессор, член-корреспондент АН Татарстана Гарифуллин Ф.А.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор,
член-корреспондент Российской АН Назмиев Ю.Г.
доктор технических наук, профессор Шевченко И.В.
доктор технических наук, профессор,
член-корреспондент АН Татарстана Даутов Г.Ю.
Ведущая организация –Центральный институт авиационного моторостроения , г.Москва
Защита состоится «____» ____________ 2001 года в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.06 в Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г.Казань, ул.К.Маркса,68, аудитория А-330, зал заседаний Ученого совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.
Автореферат диссертации разослан «___»_________ 200__ г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор А.Г.Лаптев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Удовлетворение потребностей современной промышленности и общества в электрической и тепловой энергии может быть решено путем переоборудования существующих отопительных котельных в теплофикационные энергетические газотурбинные установки. Наиболее эффективными газотурбинными установками малой мощности являются установки, выполненные на базе авиационных газотурбинных двигателей (Скибин В.А., Солонин В.И., Цховребов М.М. Перспективы авиационных двигателей в развитии транспорта и энергетики// Конверсия в машиностроении. –1999. №2. ‑С.28‑35.; Алемасов В.Е., Кравцов Я.И. и др. Автономная ТЭЦ на базе газотурбинных технологий /Матер. научно-практ. конф.«Энергосбер. в хим. технол.» Казань,2000.С.60-63.) . На базе серийных и опытных авиационных двигателей в России разработана широкая номенклатура наземных газотурбинных установок класса мощности от 0.5 до 60 МВт. Целый ряд таких установок на сегодняшний день уже освоен и успешно эксплуатируется на газоперекачивающих станциях. Назначенный ресурс таких установок составляет величину 100 000 часов, а межремонтные 25 000 часов. Кроме того, авиационные двигатели, отработавшие свой ресурс в авиации, находят широкое применение в качестве высокоэффективных источников механической, газодинамической и тепловой энергии в судостроении, сушильных установках, пожаротушении, в аэродромных и железнодорожных снегоочистителях и других индустриальных установках, используемых во многих отраслях народного хозяйства. Наземный ресурс таких установок соизмерим, а в ряде случаев в несколько раз превышает отработанный. При дальнейшей эксплуатации возникают проблемы, связанные с образованием коксовых отложений и влиянием его на теплопередающие свойства поверхности.
Аналогичные проблемы возникают и в нефтехимической, нефтеперерабатывающей промышленности, энергетике, автомобильной промышленности и других отраслях народного хозяйства.
Актуальность работы
Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической проблемы –обеспечению эффективного применения жидких углеводородных топлив в теплонапряженных узлах силовых, энергетических и технологических установок. Повышение топливной экономичности связано с увеличением хладоресурса и удельной работоспособности углеводородных топлив и реализации их в термодинамическом цикле. Значительного прироста хладоресурса и работоспособности можно достичь при перегреве топлив, т.е. за счет повышения их предельных температур нагрева, однако при этом происходит образование смолистых и коксовых отложений. Эти отложения, прежде всего, отрицательно сказываются на ресурсе и надежности агрегатов установки, в связи с чем при разработке последних остро встает вопрос по снижению интенсивности образования коксоотложений. Работы в этом направлении в настоящее время носят чисто эмпирический характер и не опираются на научные представления о механизме образования коксоотложений. Одной из ключевых задач решения этой проблемы является изучение процессов, происходящих в топливах при их нагреве, закономерностей тепло- и массообмена в углеводородных топливах в широком диапазоне изменения режимных параметров, свойств образовавшихся при этом отложений, механизмов их подавления и удаления.
Данные исследования проводились в соответствии с Координационным планом НИР Академии наук по комплексной проблеме “Теплофизика и энергетика” на 1986‑1990 гг. (разделы 1.9.1.3., 1.9.1.9., 1.9.1.10); Межотраслевых программ “Химическая регенерация тепла для повышения экономичности, надежности и экологической чистоты силовых и транспортных средств”; темы “Федерация -МАП” на 1991‑1995 гг.; Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения» 1997-1999 г.г. комплексной программы Минвуза РСФСР “Человек и окружающая среда”, а также по договорам с ЦИАМ им. П.И.Баранова.
Целью работы является разработка научных основ повышения охлаждающей способности углеводородных топлив для охлаждения теплонапряженных узлов и каналов силовых и энергетических установок. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-исследовать закономерности образования смолистых и коксовых отложений в каналах при течении жидких углеводородных топлив в условиях жидкофазного окисления;
-изучить влияние отложений на процессы теплообмена на греющей поверхности нагревателя;
-экспериментально определить теплофизические свойства отложений;
-разработать методы подавления процессов образования смолистых и коксовых отложений;
-разработать методы удаления смолистых и коксовых отложений;
-исследовать закономерности образования смолистых и коксовых отложений в каналах при течении жидких углеводородных топлив в условиях термической деструкции;
Научная новизна
В данной работе впервые комплексно исследованы процессы образования смолистых и коксовых отложений в каналах при течении жидких углеводородных топлив в условиях жидкофазного окисления и термической деструкции. Учтено влияние целого ряда факторов, влияющих на образование отложений, таких, как химический состав и фазовое состояние топлива, материал и состояние поверхности, контактирующих с топливом стенок. Комплексно рассмотрены вопросы подавления образования отложений. Разработаны высокоэффективные методы удаления отложений, отличающиеся от прототипов низкой энергоемкостью, высокой (практически 100 %-ной) эффективностью и возможностью сохранения каталитических свойств поверхности стенок канала.
Автором получены новые данные:
-по закономерностям образования смолистых и коксовых отложений в каналах при течении жидких углеводородных топлив в условиях жидкофазного окисления;
-по влиянию отложений на процессы теплообмена на греющей поверхности нагревателя;
-по теплофизическим свойствам отложений;
-по закономерностям подавления процессов образования смолистых и коксовых отложений;
-по закономерностям удаления смолистых и коксовых отложений из элементов силовых, энергетических и технологических установок;
-по закономерностям образования смолистых и коксовых отложений в каналах при течении жидких углеводородных топлив в условиях термической деструкции.
Достоверность полученных данных обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения и обработки данных, анализом точности измерений, повторяемостью результатов, а также воспроизводимостью результатов по теплообмену, свойствам, по подавлению и удалению отложений и применением статистических методов оценки погрешностей и обработки экспериментальных данных.
Практическая ценность
Результаты работы послужили основой для создания:
-способов охлаждения теплонапряженных узлов силовых, энергетических и технологических установок;
-способов подавления процессов образования отложений в топливных системах силовых и энергетических;
-способов удаления отложений из авиационных двигателей и силовых, энергетических и технологических установок.
Реализация основных положений диссертации
Основные результаты исследования использованы в следующих организациях:
-МКБ «Гранит» в комплексе работ по разработке методов очистки топливных коллекторов от смолистых и коксовых отложений;
-в СГНПП «Труд» в комплексе работ по подавлению смолистых и коксовых отложений при проектировании топливного коллектора;
-в Центральном институте авиационного моторостроения в комплексе работ по повышению охлаждающей способности реактивных топлив в условиях фазовых превращений и разработке методов и программ по созданию НТЗ по перспективной тематике;
-в НПО «Пищепромпроектмаш» при проектировании теплообменного оборудования пищевой промышленности;
-в ЗАО «Татнефтьавиасервис» в работах по предотвращению и удалению отложений в топливоподающих трубопроводах и емкостях по хранению углеводородных топлив;
-в учебных курсах авиационных, технологических и энергетических специальностей ВУЗов (МГФТУ, КГТУ, МАИ, МЭИ и др.).
Основные положения, выносимые на защиту
Новые результаты экспериментальных исследований, методик расчета теплообмена, закономерностей подавления образования отложений, внедрение которых в практику способствует обеспечению эффективного применения жидких углеводородных топлив в теплонапряженных узлах силовых и энергетических установок. Способы удаления смолистых и коксовых отложений из элементов силовых, энергетических, технологических установок и двигателей летательных аппаратов.
Апробация работы
Основные результаты доложены на научно-технических конференциях, в т.ч. на:
· на ежегодных научно-технических конференциях КГТУ-КХТИ (г.Казань 1989-2000 гг.);
· II Межотраслевой научно-технической конференции по проблеме химической регенерации тепла в летательных аппаратах и силовых установках (Москва 1991 г.);
· II Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск 1992 г.);
· научно-технической конференции «Экологическая защита городов» (Москва 1996г.);
· 11 международном симпозиуме по физике кипения и конденсации (Москва 1997 г.).
· 11 и 12ом Межвузовском научно‑техническом семинаре «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика» (Казань 1999, 2000).
· Международной научной конференции «Двигатели XXI века» (Москва 2000 г.)
Публикации
По теме диссертации опубликовано 33 печатных работы, в т.ч. 9 монографий.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованной литературы. Содержание диссертации изложено на 250 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 54 рисунка. Список использованной литературы включает 212 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации и дан краткий обзор содержания глав диссертации.
В главе 1 представлено состояние проблемы и сформулированы цели и основные задачи исследования, его научная новизна и практическая значимость. Отмечено, что при реализации хладоресурса топлив возможны ограничения по температуре нагрева, накладываемые термической стабильностью топлива и давлением насыщенных паров.
Физический хладоресурс стандартных углеводородных топлив вследствие небольших значений теплоемкости, относительно невелик, и при нагреве до температуры начала кипения не превышает 500-600 кДж/кг (Рис.1). Реализация теплоты парообразования и перегрев до 400о С позволяет достичь хладоресурса до 1300-1400 кДж/кг, однако увеличение предельных температур нагрева топлив осложняет процесс теплообмена тем, что на поверхности образуются коксоотложения, которые влияют на теплопередачу как за счет роста термического сопротивления стенки, так и за счет влияния на теплоотдачу вследствие изменения состояния поверхности. Одним из основных факторов, определяющих процесс образования кокса, является жидкофазное окисление топлив растворенным в них кислородом.
Рис.1. Хладоресурс топлив D Нх в зависимости от температуры Т при Р=0.1 МПа:
1 –хладоресурс топлива Т-6, соответствующий максимальной температуре применения;
2 –хладоресурс топлива РТ, Т-8, соответствующий максимальной температуре применения;
3 –хладоресурс топлива Т-1, ТС-1, Т-2, соответствующий максимальной температуре применения.
Анализ показывает, что образование отложений является весьма сложным процессом, зависящим как от кинетики химических превращений, так и от внутренних характеристик течения и теплообмена, которые в свою очередь могут во многом определяться структурой и свойствами самих отложений.
Значительный прирост хладоресурса и работоспособности может быть достигнут при перегреве топлив за счет использования эндотермического разложения топлив в паровой фазе. Суммарный хладоресурс углеводородных топлив при нагреве до 700-800 о С может достигать значений 2500-4000 кДж/кг. Однако вместе с тем следует отметить, что процессы, происходящие в топливах в области высоких температур, практически не изучены. Кроме того, при фазовых превращениях и деструкции топлив в силовых, энергетических и технологических установках происходит образование смоло- и коксоотложений, которые в свою очередь приводят к росту гидравлического сопротивления трубопроводов и термического сопротивления стенок. Образование кокса в топливных коллекторах и форсунках камер сгорания, прежде всего, отрицательно сказывается на ресурсе и надежности агрегатов и установок, в связи с чем при разработке последних стремятся снизить интенсивность образования коксоотложений. Работы в этом направлении в настоящее время носят чисто эмпирический характер и не опираются на научные представления о механизме образования коксоотложений при течении нагреваемых топлив (горючих) в узлах и каналах аппаратов.
В главе 2 приведены экспериментальные установки для изучения закономерностей образования отложений в условиях жидкофазного окисления углеводородных топлив. Отмечено, что образование низкотемпературных отложений, которые в основном отмечаются на стенках складских топливных резервуаров, фильтрах тонкой очистки заправочных средств, а также в топливных системах самолетов на фильтрах тонкой очистки, деталях топливоподающей аппаратуры и в топливомасляных радиаторах могут забивать фильтры, нарушать работу топливорегулирующей аппаратуры и снижать эффективность охлаждения двигателей и теплообменных аппаратов. Обнаружено, что механизм окисления топлив меняется при достижении температур 110 ¸ 130 о С. На рисунке 2 представлены данные по образованию нерастворимых осадков при хранении топлив Т-1, ТС-1 и РТ в зависимости от температуры при статических (при контакте с надтопливным воздухом) условиях.
Как видно из этого рисунка, при низких температурах нет принципиального различия в механизме образования отложений в реактивных топливах. Эти данные соответствуют выводам работ Г.Ф.Большакова (Образование гетерогенной системы при окислении углеводородных топлив/ Большаков Г.Ф. -Наука. Сиб. Отд-ние, 1990. –248 с .), в которой отмечается, что, начиная от температуры начала кристаллизации и до температур начала вытеснения легких фракций, меняется лишь скорость процесса отложения нерастворимых осадков.
Рис.2. Масса нерастворимого осадка, образовавшегося при хранении реактивных топлив в течение 1500 часов на стеклянной поверхности в зависимости от температуры
Рис.3. Склонность топлив к образованию нерастворимых осадков при повышенных температурах для статических условий.
С повышением температуры увеличивается количество образующегося за определенное время осадка. Как видно из рисунка 3, при значениях температуры 150 — 170 о С (в зависимости от марки топлива) оно достигает максимума, а с дальнейшим повышением температуры снижается. Объяснение этому можно найти в уменьшении доступа кислорода к топливу по мере роста температуры.
Изучены кинетические закономерности окисления реактивных топлив в контакте с конструкционными материалами топливных систем летательных аппаратов. Обнаружено, что среди исследованных металлов имеются как катализаторы, так и ингибиторы окисления.
Для изучения закономерностей образования коксоотложений при течении различных топлив и горючих в условиях нагрева была смонтирована экспериментальная установка (Рис.4).
В качестве рабочего участка использовались сменные трубки одной партии поставки из стали 12Х18Н9Т, сплава ХН60ВТ, меди М1, в том числе с внутренними покрытиями, длиной от 0,3 до 1,0 м и внутренним диаметром от 1 до 4 мм. Установка имеет разомкнутый топливный контур с горизонтально расположенным рабочим участком, нагреваемым переменным током. Предварительно очищенное от механических примесей топливо с различным содержанием кислорода, смол и непредельных соединений из расходного бака 5 через сетчатые фильтры 4 с ячейками 16 и 5 мкм подавалось насосом 2 марки 661Л в электронагреватель 15, где производился предварительный подогрев топлива. После этого топливо поступало в рабочий участок 17, где происходил его нагрев до заданной температуры.
Рис.4. Экспериментальная установка для изучения закономерностей образования отложений при течении углеводородных топлив в условиях нагрева
1 — бак закачки топлива; 2 — насос; 3 — предохранительный клапан; 4 — фильтр;
5 — расходный бак; 6 — вентиль; 7 — трехходовой 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 — реактор; 18 — холодильник;
19 — регулировочный кран; 20 — топливо-газовый отделитель;
21 — газовый счетчик ; 22 — кран управления; 23 — топливный бак;
Ввиду того, что веществами, обусловливающими образование кокса при нагреве различных топлив, являются растворенные в них кислород, смолы, ненасыщенные соединения и др. химически активные примеси, а также вещества, находящиеся в топливе в виде коллоидных и микрогетерогенных частиц, были проведены исследования закономерностей образования коксоотложений при течении топлив в условиях варьирования концентраций этих примесей. Концентрация растворенного в топливе кислорода (в топливном баке) варьировалась от 5,0 % (равновесная концентрация при нормальных условиях) до 0,2 % (объемн). Уменьшение концентрации растворенного кислорода -обескислороживание — осуществлялось посредством барботажа топлива в баке инертным газом (N2 , Ar, He) до требуемого содержания остаточного кислорода при нормальных условиях. Содержание остаточного кислорода варьировалось посредством выбора инертного газа и времени барботирования (Рис. 5) с целью изучения влияния концентрации растворенного кислорода на скорость образования кокса на стенках канала. Как видно из этого рисунка, наилучший результат по вытеснению кислорода как для топлива РТ, так и других реактивных топлив РТ, ТС-1 обнаружен при барботировании с применением газа гелия.
Рис.5. Зависимость содержания остаточного кислорода в топливе РТот времени барботажа инертного газа. 1- азот; 2-гелий.
Объем топлива ‑15 л. Расход газа — 9. 10-4 кг/c.
Закономерности образования кокса в трубках определяли при постоянных режимных параметрах. Давление и температуру топлива на входе в рабочий участок изменяли от 0,5 до 8,0 МПа (Р/Ркр =0,2‑3,6) и от 10 до 150 о С (Т/Ткр =0,5‑0,75), соответственно через заданные промежутки времени. Режимы течения топлива в трубках ‑ламинарный, переходный и турбулентный. После испытания трубки разрезали на отдельные отрезки длиной по 50 мм, отложения фотографировали со 100- и 2000-кратным увеличением с использованием сканирующего микроскопа DSМ — 960 Opton. Средние величины шероховатости и пористости отложений определялись путем статистической обработки результатов микроисследований.
Эксперименты показали, что коксоотложения представляют собой мелкопористую структуру, сформированную из отдельных сфероподобных глобул. Характерное счетное распределение этих глобул по эквивалентным диаметрам приведено на рисунке 6, где Fi ‑число глобул в Di — интервале диаметров, FS — суммарное число глобул. Видно, что глобулы имеют характерные размеры 15 — 25 мкм.
Рис.6. Счетное распределение частиц коксоотложений по диаметрам.
Схема исследования коксоотложений, образовавшихся в процессе нагревания топлив, приведена на рисунке 7
Рис.7 . Схема исследования коксоотложений, образовавшихся при нагреве углеводородных топлив
По мере наработки отложения покрывают металлическую поверхность не сразу, а постепенно. Обработка данных показала, что зависимость от времени наработки доли поверхности стенки, покрытой отложениями, 
=S/Smax , может быть описана соотношением
= 1 — exp(-at) , (1)
где а -эмпирический коэффициент, t -время наработки поверхности.
Для определения массы коксоотложений и их элементного и группового состава использовалась специальная установка, приведенная на рисунке 8.
Рис.8 . Установка для определения состава и массы коксоотложений:
1 — газометр; 2,3 — осушительные склянки;
4,5 — U-образные трубки; 6 — реактор для выжигания кокса;
