Підвищення ефективності спалювання енергоносіїв рослинного походження для теплоенергетичних установок

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ

ім. А.М. ПІДГОРНОГО

Спеціальність 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення ефективності спалювання енергоносіїв рослинного походження для теплоенергетичних установок

Кулик Михайло Ілліч

Харків - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському Національному автомобільно-дорожньому університеті, МОН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Селіванов Станіслав Євгенович,

Харківський Національний університет

імені В.Н. Каразіна, профессор кафедри екології та неоекології

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий

співробітник,

Амброжевич Олександр Володимирович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, професор кафедри ракетних двигунів

кандидат технічних наук,

Ларьков Сергій Миколайович,

Державне науково-виробниче підприємство

“Комунар”, головний технолог

Захист відбудеться « 23 » квітня 2009 року о 15.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.180.02 в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного, за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського 2/10.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного, за адресою 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського 2/10.

Автореферат розісланий « 23 » березня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук О.Е. Ковальський

Размещено на http://www.allbest.ru//

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. У зв'язку з підвищеною необхідністю економії енергії в Україні, зокрема, палива, що одержується з нафти, проводяться дослідження в сфері пошуку нових видів палив не нафтового походження або, так званих, альтернативних палив; бажано, щоб ці палива були з поновлюваних джерел, для всіх видів енергетичних установок.

Найбільш інтенсивно дослідницькі та експериментальні роботи ведуться в напрямку використання в енергетичних установках біопалива, до якого відноситься паливо на основі рослинних жирів.

Відзначимо, що при виробництві деяких видів біопалива - біодизеля, рафінованих рослинних олій, на стадії рафінації жирів утворюються значні обсяги рідких відходів - соапстоків, що вимагають утилізації. Тому на сьогоднішній день актуальним є, з одного боку, розробка нових екологічно безпечних і економічно вигідних технологій утилізації зазначених відходів; з іншого боку, проведення досліджень можливості використання соапстоку, як самостійного палива або, як добавку до палива, яке традиційно застосовується в теплоенергетичних установках.

У разі застосування різних палив постає завдання не тільки про можливість його використання в енергетиці, але й у необхідності підвищення ефективності спалювання, що пов'язане з поліпшенням характеристик рідких палив, які спалюють у дисперсному вигляді. Це, у свою чергу, вимагає глибокого вивчення механізмів запалювання та горіння крапель диспергованого палива, особливості якого пов'язані з багатокомпонентним складом палива.

Для визначення кінетичних та інших характеристик горючих рідин, які могли б дозволити виявити загальні закономірності процесу запалювання, одержати корисну інформацію про порівняльні характеристики горіння палив, необхідно створити сучасні експериментальні установки, розробити методи оцінки займистості окремих крапель різних палив у потоці повітря.

З вищезазначеного випливає, що дослідження, пов'язані з горючістю різних палив (енергоносіїв рослинного походження), з підвищенням їхньої ефективності спалювання на розроблених нових експериментальних установках є актуальними.

Викладені міркування визначили вибір теми даної дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами: дослідження викладені в дисертації, проводилися в рамках тематичного плану держбюджетних науково-дослідницьких робіт кафедри ”Безпеки життєдіяльності“ (БЖД) Харківського національного автомобільно-дорожнього університету (ХНАДУ) за 2007 р. за темою: “Кінетика випаровування, горіння й визначення показників займистості альтернативних палив рослинного походження” державний реєстраційний номер 0107U004535, у рамках договору між ХНАДУ та Інститутом технічної діагностики, експертизи і сертифікації Української академії наук (договір № 45-04-04 від 15 вересня 2004 року), державний реєстраційний номер 0105U002684 і договору між ХНАДУ та Інститутом промислової безпеки Всеукраїнської цивільної організації Українська академія наук (договір № 43-06-06 від 10 квітня 2006 року), у яких здобувач був співвиконавцем.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розширення номенклатури рідких палив, які застосовуються у теплоенергетичних установках, зокрема наукового обґрунтування можливості використання горючих продуктів ріпакової олії та підвищення ефективності їхнього спалювання за результатами дослідження теплофізичних властивостей.

Досягнення поставленої мети вимагало рішення наступних взаємопов'язаних задач:

- обґрунтувати необхідність оцінки властивостей палива на займистість, проаналізувати механізми окремих фаз і стадій процесу горіння палива; розробити математичні моделі процесів, що протікають при (само)запалюванні рідких палив; одержати аналітичні залежності для визначення показників займистості;

- розробити експериментальні методи визначення показників займистості горючих рідин; експериментально дослідити кінетичні закономірності прогрівання, випаровування, запалювання і горіння окремих горючих крапель ріпакової олії, її продуктів та нафтових палив, з метою порівняння, а також їх різних сумішей;

- методами термогравіметрії та термометрії дослідити термічне розкладання і процес термоокисної деструкції горючих рідин для прогнозування горючості (займистості та самозаймистості);

- за допомогою програмних продуктів «ASTRA-4» і «PLASMA» провести розрахунки рівноважного складу продуктів згоряння горючих рідин, рівноважної температури згоряння, газового складу і одержати дані з теплотворної здатності;

- вирішити задачу теплообміну для моделі складової краплі, поміщеної в потік нагрітого повітря, внутрішня частина якої являє собою металевий підвіс, визначити час прогріву краплі; провести математичне моделювання процесу теплообміну складової краплі при різних її діаметрах і зміні температури потоку; зіставити результати математичного моделювання та експерименту; енергоносій рідкий паливо

- впровадити основні теплофізичні параметри процесу горіння (температуру запалювання, неповноти згоряння), досліджуваних рідких палив для використання при конструюванні енергетичних установок.

Об'єктом дослідження є процес горіння крапель рідин рослинного походження (ріпакової олії, метилового ефіру ріпакової олії (МЕРО), соапстока, а також суміші соапстока з різним відсотковим вмістом в ньому етилового спирту та ріпакової олії, як активаторів), дизельного палива, а також суміші дизельного палива з різним відсотковим вмістом МЕРО, мазуту М40, мазуту М100 (з вмістом в останньому води, як активатора: 1,2 %, 10 %, 20 %) та різним відсотковим вмістом в кожному з М100 соапстока.

Предмет дослідження - випаровування, запалювання, горіння та неповнота згоряння крапель горючих рідин з добавками активаторів.

Методи дослідження: аналітичний, який базується на використанні класичних законів теплопереносу; експериментальний, який використовує теорію планування експерименту, у ході якого вивчався процес прогріву, випаровування, запалювання і горіння досліджуваних палив; проводились експертні оцінки.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- вперше розроблено метод вирішення задачі теплообміну для складової краплі, поміщеної в потік нагрітого повітря, внутрішня частина якої являє собою

металевий підвіс;

- одержали подальший розвиток математичні моделі процесів випаровування, запалювання в частині визначення залежності часу прогріву краплі від її діаметру, залежності об'ємної швидкості випаровування краплі від часу, залежності періоду індукції краплі від температури навколишнього середовища, залежності температури запалювання від розмірів крапель;

- уперше отримані та зіставлені дериватограми термічного і термогравиметричного аналізу ріпакової олії та її продуктів;

- розроблені науково обґрунтовані методи оцінки показників запалювання та горіння рідин, що відрізняються від ГОСТ 12.1. 044-89 можливістю дослідження фізики горіння та визначення показників запалювання, горіння, неповноти згоряння їх у потоці нагрітого повітря.

Практичне значення отриманих результатів:

- застосовано строгий метод вирішення задачі теплообміну для складової краплі, поміщеної в потік нагрітого повітря, отримано вираз, що дозволяє визначати час прогріву краплі будь-якої горючої рідини в потоці нагрітого повітря; результати обчислень за отриманою формулою адекватні результатам експерименту;

- науково обґрунтована можливість використання продуктів ріпакової олії на підставі загального уявлення про механізм процесу горіння, про елементарні явища, що відбуваються при спалюванні досліджуваних горючих рідин і їх порівняння з традиційними паливами;

- показана можливість управління горінням крапель продуктів ріпакової олії та сумішей палив шляхом зміни відсоткового вмісту продуктів ріпакової олії в нафтовому паливі; отримані характеристики горючості дають можливість ураховувати їх при конструюванні камер згоряння та для раціонального спалювання палив;

- кінетичні показники для різних палив впроваджені в ЗАТ ХДКБА “Хімавтоматика” при розробці камер згоряння опалювальних і водогрійних котлів з потужністю від 15 до 50 кВт (акт впровадження від 14 грудня 2007 р.); отримані результати по згорянню продуктів ріпакової олії використаються в Випробному сертифікаційному Центрі (ВСЦ “Агрегат”) ВАТ “РОСС” (акт впровадження від 1 липня 2007 р.) та Інституті промислової безпеки ВГО “Українська академія наук” (акт впровадження від 23 листопада 2007 р.); методики проведення досліджень по горючості речовин впроваджені в навчальний процес і виробництво (експлуатацію) УкрНДНЦ хіммотології та сертифікації пально-мастильних матеріалів і технічних рідин Національного авіаційного університету (акт впровадження від 13 грудня 2007 р.); розроблені та виготовлені дослідні установки і методики проведення експериментів використовуються в навчальному процесі та у наукових дослідженнях ХНАДУ (акт впровадження від 19 травня 2007 р.);

- на розроблений пристрій щодо дослідження вигоряння рідин отримано патент України.

Особистий внесок здобувача в наукових працях, опублікованих разом зі співавторами, полягає в самостійному проведенні теоретичних досліджень [3], графічній обробці результатів досліджень і розробці програмного забезпечення для проведення розрахунків параметрів процесу, особиста участь в експериментах і обробці експериментальних даних [1, 4, 7, 12], авторові належить вирішальна роль в узагальненні результатів робіт [10, 11], в обговоренні та в інтерпретації отриманих результатів, підготовці рукопису, розробці методів випробувань, формулюванню висновків [2, 6, 8]. Внесок співавторів спільних робіт викладається конспективно в обсязі, необхідному для ясності викладення. Значний особистий внесок в одержанні результатів дисертації дозволив авторові сформулювати і обґрунтувати основні положення, які виносяться на захист. Роботи [4, 5, 9] написані без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи і основних її положень доповідалися і обговорювалися на десяти Міжнародних наукових і науково-технічних конференціях: Х, ХІ, ХІІ, ХІІІ Міжнародних науково-технічних конференціях “Транспорт, экология - устойчивое развитие” (Технічний університет, Варна 2004 - 2007 рр.); Міжнародна науково-технічна конференція “Наукові основи створення високоефективних землерийно-транспортних машин” (Харків 2004 р.); Міжнародна науково-технічна конференція “Технические и экономические перспективы развития автотранспортного комплекса и дорожного строительства” (Харків 2005 р.); XIV міжнародна науково-практична конференція “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я”. Присвячена 100-річчю з дня народження М.Ф. Семка. MicroCAD'2006 (Харків 2006 р.); Міжнародна науково-практична конференція “Перший Всеукраїнський з'їзд екологів” (Вінниця 2006 р.); V науково-методична конференція “Безпека життя і діяльності людини - освіта, наука, практика” (Харків 2006 р.); Міжнародна науково-практична конференція “Механотроника строительных и дорожных машин”. Присвячена 70-річчю кафедри ПТБДМО ХНАДУ (Харків 2007 р.); науково-технічних та науково-методичних сесіях університету.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 12 наукових праць, у числі яких - 5 у спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України, 1 патент, 6 - у матеріалах конференції.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації становить 180 сторінок. Зміст основного тексту становить 143 сторінки друкованого тексту, в який включено 47 рисунків, 18 таблиць, висновки. Список використаних джерел складає 143 найменувань. Додатків - 4.

ОСНОВНА ЧАСТИНА

У вступі викладено основний стан науково-технічної проблеми, обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета та задачі дослідження, визначений зв'язок даних досліджень з науковими програмами та темами, розкрита наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, відображено особистий вклад дисертанта в опублікованих статтях, викладений перелік конференцій, на яких були апробовані основні результати.

У першому розділі дисертації приведено аналіз стану проблеми за даними науково-технічної літератури. Розглянуто характеристику рідких палив нафтового походження і рідких палив альтернативних нафтовому - ріпакової олії та її продуктів - соапстока та інші.

Дано критичний аналіз окремих стадій горіння краплі. Був проведений аналіз прогріву одиночної краплі. Показано, що після рішення балансового рівняння теплоти, може бути отримана формула, що дозволяє визначати час прогріву краплі рідини, яка перебуває в потоці нагрітого повітря. На основі проведеного аналізу випаровування крапель показано, що в цей час відсутня строга теорія, яка дозволяє розрахувати кінетику випаровування краплі в потоці. Ряд авторів користуються теорією приведеної плівки, визначаючи її товщину, інші посилаються на виконання закону Срезневського.

Стосовно запалювання краплі, відзначимо, що перехід від випаровування до стійкого горіння багатокомпонентних рідин дотепер також вивчений недостатньо. У розділі наведена розробка умов теплового запалювання газу розвинена Н.Н. Семеновим. З його теорії був зроблений важливий висновок, що зі зменшенням розмірів речовини температура її запалювання збільшується. Загальна теорія запалювання Семенова не дозволяє розглянути, як змінюється температура речовини перед запалюванням у часі й у просторі усередині тіла, що запалюється. Для вирішення цього завдання необхідно знати рішення диференціального рівняння теплопровідності. Рішення такого рівняння в загальному випадку викликає математичні труднощі, які можуть бути вирішені тільки за допомогою ЕОМ. Тому широко використовуються два спрощених напрямки, які є предметом стаціонарної теорії, запропонованої Д.А. Франк-Каменецьким, і нестаціонарної теорії, запропонованої О.М. Тодесом. Проведений огляд публікацій показав, що нестаціонарну теорію О.М. Тодеса можливо застосовувати для аналізу процесів запалювання краплі.

Теорія дифузійного горіння крапель уперше була створена Г.А. Варшавським. У даний час є значна кількість робіт, присвячених уточненню дифузійної теорії й врахуванню кінетичних ефектів, що пояснюють явище нестійкого горіння.

Другий розділ присвячено вдосконаленню математичних моделей, що описують процеси горіння рідин: прогрів краплі від початкової температури до рівноважної температури випаровування; випаровування крапель при рівноважній температурі; запалювання крапель.

При розгляді основних закономірностей нагрівання одиночної краплі рідини виходили з того, що крапля палива має форму кулі.

Проаналізовано відоме рівняння, отримане в роботі А.В. Ликова “Тепломассообмен”, поклавши в ньому - час прогріву краплі до довільної температури середовища. У початковий момент часу крапля об'ємом має одинакову температуру. Якщо крапля раптово потрапляє в потік нагрітого повітря з температурою, то вона піддається нагріванню з поверхні. Температура потоку залишається незмінною в часі. У процесі нагрівання краплі її середня температура по всьому об'ємі змінюється з часом, тобто. Таким чином, у початковий момент часу.

Для великих крапель (наприклад, діаметром більше 1,8 мм), які поміщають у потік з постійною швидкістю, число Нуссельта () залежить від розмірів крапель (). Тоді .

При вирішенні ряду фізичних і технічних проблем (спалювання в диспергованному стані рідких палив та ін.) часто доводиться мати справу з випаровуванням рідини в дисперсному вигляді. Завдання в цьому випадку зводяться до вирішення питання визначення швидкості випаровування краплі.

Основними параметрами, що характеризують займистість палива є температура запалювання та період індукції.

Експериментально обумовлений період індукції краплі рідини, поміщеної в потік нагрітого повітря можливо представити як суму часу прогріву краплі від початкової температури до температури потоку нагрітого газу та часу саморозігріву за рахунок хімічної реакції від температури потоку до температури запалювання. Позначимо цей час через .

Для порівняння було проведено обчислення інтегралу, який стоїть у лівій частині (5) та отриманого наближеного виразу. Використовуємо типові значення: К, К, Дж/(мольК) - універсальна газова постійна, Е = 200 кДж/моль - енергія активації, с, візьмемо від 1,1 до 2,7 з шагом 0,2. Результати отриманих розрахунків приведено у табл. 1.

Таблиця 1

Значення при зміні

	1,1	1,3	1,5	1,7	1,9	2,1	2,3	2,5	2,7
Точне значення	6,27	6,80	7,45	8,30	9,44	11,11	13,87	19,86	72,13
Приблизне значення	7,59	8,11	8,75	9,57	10,68	12,28	14,93	20,67	71,43

Отримані результати свідчать про те, що наближений вираз можливо використовувати для порівняння експериментальних даних за періодом індукції з розрахунковими, для значень близьких до ().

У третьому розділі описані розроблені методи та нові експериментальні установки, надана методика визначення показників займистості, швидкості вигоряння, нагароутворення рідких палив.

Сутність розробленого методу по визначенню показників займистості полягає в тому, що в потоці нагрітого газу створюються температурні умови, які сприяють випаровуванню, (само)запалюванню, горінню і, внаслідок чого, експериментальному визначенню показників займистості, горючості нерухомих (підвішених) крапель рідин.

Для проведення експериментальних досліджень задається певна температура нагрівання трубчастих електричних печей, а за допомогою повітродувки створюється необхідна стабілізована швидкість потоку повітря в трубі печей з виходом з сопла Витошинського. Після відкривання захисного екрану замикається електричний ланцюг за допомогою геркона, включається схема блоку, що реєструє період індукції, і в цей же момент досліджувана крапля, підвішена на спеціальному підвісі, розміщується точно вздовж осі нагрітого потоку повітря з П-подібним профілем швидкості. При виведенні підвісу з потоку на місце краплі встановлюється кулька термопари та визначається в цьому місці, де перебувала крапля, температура потоку повітря.

Сутність методу визначення швидкості вигоряння, нагароутворення, неповноти згоряння полягає в запалюванні “штучної” - “стаціонарної” краплі рідини та експериментального визначення швидкості вигоряння за певний проміжок часу, а за допомогою додаткового пристрою визначення кількості нагароутворення, тобто кількості незгорілих летучих, а також дисперсності продуктів згоряння.

В результаті неповного згоряння рідких палив при заданих температурах спостерігається процес утворення сажі. Для безпосереднього вловлювання сажі при горінні крапель рідких палив був розроблений пристрій. Крапля рідкого палива підвішувалась на спеціально подовженому важелі торсіонних ваг поблизу виходу сопла системи трубчастих електричних печей. Під час горіння краплі сажа, що утворюється, вловлюється шлаковатою. Вибір шлаковати для вловлювання сажі пояснюється тим, що дрібна скляна вата добре фільтрує продукти згоряння та затримує сажу, а далі ваговим методом визначається маса сажі.

У четвертому розділі подано результати експериментів з моделювання елементарних процесів горіння краплі палива у потоці нагрітого повітря, проведено обговорення результатів.

У розділі досліджуються горючі рідини рослинного походження (ріпакова олія, метиловий ефір ріпакової олії (МЕРО), соапсток, а також суміші соапстока з різним відсотковим вмістом в ньому етилового спирту та ріпакової олії, як активаторів), дизельне паливо, а також суміші дизельного палива з різним відсотковим вмістом МЕРО, мазут М40, мазут М100 (з вмістом в останньому води, як активатора: 1,2 %, 10 %, 20 %) та різним відсотковим вмістом в кожному з М100 соапстока.

Експериментальне дослідження випаровування краплі горючих рідин у потоці повітря зводиться до визначення швидкості випаровування краплі при різних температурах потоку повітря. Дослідження кінетики випаровування краплі горючих рідин при підвищених температурах (вище 723 К) показало, що залежність від у потоці повітря для всіх досліджуваних рідин виявилася лінійною, тобто має місце закон Срезневського. Це свідчить про те, що кожна горюча рідина випаровується як індивідуальна рідина, зберігаючи свій склад у процесі випаровування постійним. Показано, що зі збільшенням швидкості потоку, при постійній заданій температурі повітря, росте швидкість випаровування; швидкість випаровування досліджених горючих рідин збільшується при постійній швидкості потоку в міру підвищення температури. Цей висновок має істотне значення, тому що дозволяє зрозуміти, чому при високих температурах не позначається розгін таких горючих рідин, і вони випаровуються аналогічно випаровуванню індивідуальних рідин. За формулою (4), при знайдених значеннях константи швидкості випаровування, визначена об'ємна швидкість випаровування для різних рідин у момент часу с: для дизельного палива - 0,599 м3/c, ріпакової олії - 0,287 м3/с, мазуту М40 - 0,247 м3/c, при рівних умовах знаходження краплі горючої рідини в потоці повітря і одинаковому початковому діаметрі краплі.

Проведено термічний і термогравиметричний аналіз на дериватографі для всіх перерахованих вище горючих рідин. Найбільший інтерес представляє вперше отримана дериватограмма соапстока. Хід кривої ТГ показав, що розкладання соапстока починається при температурі 94 С, а закінчується при температурі 595 °С. У процесі розкладання проби присутні два екзотермічних ефекти реакції (крива ДТА) з температурами в максимумі 387 °С та 571 °С, а також на кривій ДТА присутні два ендотермічних ефекти реакції, мінімуми при температурі 121 °С та 442 °С. Максимальна втрата маси речовини відбувається при температурі 403 °С (крива ДТГ). Проведений термічний і термогравиметричний аналіз дозволив вивчити кінетику процесів термолізу горючих рідин і визначити їх кінетичні пара-

метри.

В розділі проведено експериментальне визначення температур запалювання досліджуваних рідин і періодів індукції, значення яких наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Значення температур запалювання і періодів індукції рідин

Горюча рідина	Температура запалювання, К	Період індукції, с
ДП	1018	1,1
МЕРО	983	2,7
РО	976	6,7
Соапсток	938	2,8
М40	968	2,1

Залежність температури запалювання краплі ріпакової олії та соапстока від швидкості потоку повітря, а на рис. 4 залежність температури запалювання краплі соапстока від діаметра краплі. Зі збільшенням діаметра краплі температура запалювання соапстока зменшується, що узгоджується з теорією Н.Н. Семенова. Однак за Н.Н. Семеновим реакція йде в усьому об'ємі краплі, тобто за умови реакції , умова теплообміну , а час теплової релаксації (прогріву або охолодження) речовини ~ і, тоді запишемо. Коли має місце поверхнева реакція всі математичні міркування аналогічні тим, коли реакція йде в усьому об'ємі, тобто в цьому випадку, - мінімальний (адіабатичний) період індукції ~ , ~ , , а. При запалюванні краплі в потоці: , , то, ~, , , а , що вказує на адекватність експерименту з аналізом проведеним у другому розділі.

З вищезазначеного випливає, що у всіх випадках зі збільшенням діаметра краплі температура запалювання зменшується, однак коли має місце поверхнева реакція, ця залежність більш слабка, чим у випадку об'ємної реакції, і ще більш слабшає при обдуванні краплі.

Побудовані залежності в координатах для ріпакової олії та соапстока показали, що експериментальні точки укладаються на прямій лінії з тангенсом кута нахилу рівним. За тангенсом кута нахилу прямої визначена енергія активації ріпакової олії: кДж/моль (ккал/моль) і соапстока: кДж/моль (ккал/моль). Період індукції у всіх випадках зростає зі збільшенням діаметра краплі.

Таблиця 3

Неповнота згоряння різних горючих рідин

Горюча рідина	Показник
		СО2		, %
ДП	0,3364	15,70	0,3376	0,3092
МЕРО	0,32695	15,82	0,3271	0,0354
РО	0,3131	15,98	0,3142	0,2713
М40	0,3021	15,80	0,3291	7,0966

Визначення механічного недопалу горючих рідин визначалося розробленим методом, одержані результати наведено в табл. 4.

На установці рис. 2 провели експериментальні дослідження та визначили швидкість вигоряння (табл. 5), і на цій же установці, визначено неповноту згоряння.

Таблиця 4

Результати досліджень неповноти згоряння крапель горючих рідин

Горюча рідина	Кількість крапель	Вага крапель, мг	Вага вати до досліду, мг	Вага вати після досліду, мг	Вага сажі, мг	Неповнота згоряння, %
ДП	20	322	25353,4	25354,3	0,9	0,28
МЕРО	20	331	23568,4	23568,5	0,1	0,03
РО	20	378	24823,4	24824,3	0,9	0,25
М40	20	388	24952,2	24978,7	26,5	6,83

Таблиця 5

Значення швидкості вигоряння різних горючих рідин

Горюча рідина	ДП	МЕРО	РО	М40
Швидкість вигоряння палива, , кг/с	2,996	2,800	2,501	2,034

За допомогою програмних продуктів «ASTRA-4» і «PLASMA» проведено розрахунок рівноважного складу продуктів згоряння горючих рідин і одержані дані з теплотворної здатності, рівноважної температури згоряння, газового складу. Показано, що при збільшенні процентного вмісту соапстока в трьох видах мазуту теплотворна здатність їх зменшується у всіх випадках, при 25 % вмісті соапстока в середньому - на 12 %, причому, чим більше в мазуті води, тим теплотворна здатність його стає менше.

Визначена нормальна швидкість поширення полум'я для ріпакової олії, що склала м/с.

Проведені дослідження із впливу присадок на час затримки запалювання, зниження нагароутворення мазуту М40 показали, що ароматичні з'єднання, скорочують час затримки запалювання, незначно знижують нагароутворення, сприяють розм'якшенню вуглецевого осаду, із кисневмісних з'єднань найбільш ефективним є бензальдегід, що істотно скорочує час затримки запалювання та знижує нагароутворення на 32 %, залишок на стінках навіски середньої твердості, добавка оцтової кислоти та амілового спирту не тільки знижує час затримки запалювання і нагароутворення на 41 %, але й розпушує вуглецевий залишок, нітросполуки - нітрометан і нітроетан, скорочують час затримки запалювання, знижують нагароутворення відповідно на 5,7 % і 24 %, але при їхньому введенні утвориться твердий вуглецевий осад.

В розділі 2 в математичному моделюванні та, відповідно, в проведених експериментах з краплею різних рідин (розділ 4) малося на увазі, що для дослідження бралася суцільна крапля з певним діаметром, а на справді експеримент проводився з складовою краплею, тобто рідина обволікала підвіс певного діаметру і у всіх випадках застосовувалася та сама методика експерименту. Якщо проводити експеримент із суцільною краплею, то при цьому повинна зміниться методика експерименту. Оскільки, характер теплообміну суцільної краплі відрізняється від теплообміну складової краплі, то в п'ятому розділі було поставлено задачу, розглянути модель теплообміну для складової краплі та провести моделювання процесу теплообміну, провести порівняння результатів отриманих при моделюванні з результатами експерименту. Для теоретичного розгляду вперше поставлена задача, коли дано складову кулю, у якої при - метал, а при - сферична куля з параметрами краплі, де - змінний радіус сфери. При цьому виникають контактні умови на межі поділу середовищ для температури й теплових потоків, на зовнішніх поверхнях кулі ставиться умова теплообміну.

Куля радіуса складається з двох різних матеріалів: від до з одного матеріалу та від до з другої речовини (рис. 7). На поверхні відбувається теплообмін із зовнішнім середовищем температури . Початкова температура кулі дорівнює , коефіцієнти теплопровідності та , теплоємності та , щільності , , відповідно для складових частин кулі.

Ряди дуже швидко сходяться (загальний член рядів экспоненціально згасає), тому на верхній межі сум замість досить поставити величину порядку декількох одиниць.

Таким чином дають шукане рішення задачі, причому - це температура сферичної кулі з параметрами матеріалу краплі.

З випливає, що, тобто при тривалому знаходженні краплі в нагрітому середовищі, її температура зрівнялась би з температурою навколишнього середовища, якби не відбувалося її випаровування.

Рішення рівняння проведемо методом розподілу відрізка навпіл у середовищі Mathcad і визначимо час прогріву . Для перевірки адекватності отриманих результатів порівняємо значення часу прогріву розрахованих за формулою з даними розрахованими за відомою формулою. Результати отриманих значень обчислених за формулами збіглися з точністю 30 %, що вважається цілком задовільним. Тому, незважаючи на різні розглянуті фізичні моделі краплі, згідно яких отримані формули, ними можна користуватися. Аналіз отриманого виразу для визначення часу прогріву складової краплі за різних характеристик і властивостей рідини дозволив зіставити результати математичного моделювання з даними фізичного експерименту з визначення часу прогріву складової краплі

На побудованих графіках отримані криві якісно схожі, а похибка не перевищує 20 %, що може бути пояснено похибками вимірів, а також похибкою завдання параметрів експерименту при математичному моделюванні

ВИСНОВКИ

1. На підставі проведеного аналізу публікацій по темі дисертації зроблено висновок про перспективність використання ріпакової олії і її відстою - соапстока, як палива в теплоенергетичних установках, що дозволить, з одного боку, з користю його утилізувати, з іншого боку, добавка цього горючого продукту в паливо, яке традиційно застосовується (мазут) - дозволить досягти його економії.

2. Для ефективності використання соапстока, або соапстока, як добавки до мазуту розглянуто стадії процесу горіння краплі в потоці нагрітого повітря та визначені їх кінетичні характеристики на запатентованих установках.

3. Уперше розроблено метод вирішення задачі теплообміну для складової краплі, внутрішня частина якої являє собою металевий підвіс. Крапля розміщується в потоці нагрітого повітря. За розробленою програмою в середовищі Mathcad вирішене трансцендентне рівняння методом розподілу відрізка навпіл і визначений час прогріву складової краплі. Експериментальні дослідження показали адекватність їх розрахунковим дослідженням.

4. Установлено за формулами і експериментально підтверджено, що час прогріву краплі палива, яка розміщена в нагрітому потоці з постійною швидкістю, пропорційно діаметру краплі в степені . Визначено, що швидкість випаровування краплі на одиницю поверхні, обернено пропорційна радіусу краплі, а об'ємна швидкість випаровування краплі пропорційна радіусу краплі. Чисельні досліди дали можливість визначити період індукції та температуру запалювання, остання для ріпакової олії - 976 К, соапстока - 938 К, а також для інших палив з метою порівняння.

5. Уперше отримані та зіставлені дериватограми термічного й термогравиметричного аналізу ріпакової олії і її продуктів, що дозволили одержати відомості про втрату маси, а це, в свою чергу, дає можливість зробити висновок про кількість летучих продуктів, про кінетику процесів розкладання зі зростанням температури. Отримано, що процес розкладання для соапстока починається при 367 К, ріпакової олії - при 533 К. Для порівняння отримані дериватограмми й для інших палив.

6. За допомогою програм ASTRA-4 і PLASMA проведений розрахунок рівноважного складу продуктів згоряння та теплотворної здатності палива, що містить добавки етилового спирту і ріпакової олії в соапстоці, а також містить добавку соапстока в трьох видах мазуту, у першому випадку теплотворна здатність палива збільшується, в другому - зменшується.

ПЕРЕЛІК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Селиванов С.Е. Изучение кинетики термоокислительного процесса горюче-смазочных материалов / С.Е Селиванов., Є.В. Омельяненко, М.И. Кулик // Вестник ХНАДУ: Сб. научн. трудов. - 2004. - Вып. 27. - С. 184 - 186.

2. Селиванов С.Е. Методы экспериментального определения показателей воспламеняемости жидких топлив / С.Е. Селиванов, М.И. Кулик // Вестник ХНАДУ: Сб. научн. трудов. - 2005. - Вып. 30. - С. 171 - 173.

3. Селиванов С.Е. Воспламенение капли жидкого топлива в потоке нагретого воздуха / С.Е. Селиванов, М.И. Кулик // Вестник Национального технического

университета «ХПИ»: Сб. научн. трудов. Тематический выпуск: Транспортное

машиностроение. - 2006.- № 26. - С. 182 - 187.

4. Кулик М.И. Изучение кинетики термического и термоокислительного процесса дизельного и альтернативного топлива / М.И. Кулик // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2007. - № 2/3(26). - С. 50 - 53.

5. Кулик М.И. Прогрев и испарение капель жидкого топлива в потоке нагретого воздуха / М.И. Кулик // Вестник ХНАДУ: Сб. научн. трудов. - 2007. - Вып. 38. - С. 171 - 175.

6. Пат. 81805 Україна, МПК G 01 N 33/22. Пристрій для визначення швидкості вигорання рідини / Селіванов С.Є., Калинчак В.В., Кулик М.І.; заявник та патентоволодар Харків. націон. автомобільно-дорожній ун-т - № а 2005 10764; заявл. 14.11.05; опубл. 11.02.08, Бюл. № 3 (І ч.).

7. Влияние присадок на время задержки воспламенения, снижения нагарообразования тяжёлого топлива: материалы Х научно-технической конф. с международным участием ["Транспорт, экология - устойчивое развитие ЕКОВарна'2004"], (Варна, 10 - 12 мая 2004 г.) / Технический университет. - Варна: Технический университет, 2004. - С. 428 - 431.

8. Исследование испарения и горения капель топлива: материалы ХІ научно-технической конф. с международным участием ["Транспорт, экология - устойчивое развитие ЕКО Варна 2005"], (Варна, 10 - 12 мая 2005 г.) / Технический университет. - Варна: Технический университет, 2005. - С. 524 - 532.

9. Требования к альтернативным топливам: матеріали V науково-методич ної конф. ["Безпека життя і діяльності людини - освіта, наука, практика"], (Харків, 20 - 22 квітня 2006 р.) / Міністерство освіти і науки України, Харк. націон. автомобільно-дорожній ун-т. - Х.: Харк. націон. автомобільно-дорожній ун-т, 2006. - 180 с.

10. Новые перспективы применения альтернативных топлив для автомобильных дизелей: материалы ХІІ научно-технической конф. с международным участием ["Транспорт, экология - устойчивое развитие ЕКОВарна'2006"], (Варна, 18 - 20 мая 2006 г.) / Технический университет. - Варна: Технический университет, 2006. - С. 58 - 63.

11. Экологически чистое альтернативное топливо для дизелей: матеріали Міжнародної науково-практична конф. ["Перший Всеукраїнський з'їзд екологів (ECOLOGY-2006)"], (Вінниця, 4 - 7 жовтня 2006 р.) / Міністерство освіти і науки України, Вінницький НТУ УНІВЕРСУМ-Вінниця. - Вінниця: Вінницький НТУ УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2006. - С. 213.

12. Определение термоаналитических характеристик бинарных альтернативных топлив растительного происхождения: материалы ХІІІ научно-технической конф. с международным участием ["Транспорт, экология - устойчивое развитие ЕКОВарна'2007"], (Варна, 10 - 12 мая 2007 г.) / Технический университет. - Варна: Технический университет, 2007. - С. 731 - 734.

АНОТАЦІЯ

Кулик М.І. Підвищення ефективності спалювання енергоносіїв рослинного походження для теплоенергетичних установок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, Харків, 2009.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню запалювання та горіння нафтових і альтернативних палив, ріпакової олії та її продуктів (соапстока - горючого відстою після лужної рафінації ріпакової олії), на предмет подальшого використання їх в теплоенергетичних установках. Це дозволяє, з одного боку, утилізувати соапсток з користю, а з іншого боку, добавка цього горючого продукту в паливо, яке традиційно застосовується (мазут) - дозволить досягти його економії.

На розроблених запатентованих установках експериментально досліджені стадії процесу горіння одиночної краплі, розміщеної в потоці нагрітого повітря. Проведене математичне моделювання процесів горіння краплі, розглянутий теплообмін для моделі складової краплі - кулі (яка складається з металевого підвісу та шару рідини на ньому). Розроблена в середовищі Mathcad програма дозволяє вирішити отримане трансцендентне рівняння методом поділу відрізка навпіл та визначити час прогріву складової краплі.

Ключові слова: ріпакова олія, соапсток, час прогріву, запалювання, горіння, складова крапля, установка.

АННОТАЦИЯ

Кулик М.И. Повышение эффективности сжигания энергоносителей растительного происхождения для теплоэнергетических установок. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков, 2009.

Диссертационная работа посвящена исследованию воспламенения и горения нефтяных и альтернативных растительных топлив, рапсового масла и его продуктов - соапстока (горючего отстоя после щелочной рафинации рапсового масла), на предмет дальнейшего использования его в теплоэнергетических установках, что позволяет, с одной стороны, с пользой его утилизировать, а с другой стороны, добавка этого горючего продукта в традиционно применяемое топливо (мазут) - позволяет создать его экономию.

Показано, что для понимания особенностей протекания рабочего процесса в камерах сгорания, разработки конструкций топочной камеры и обоснования требований к качеству топлив, а также правильного решения ряда практических вопросов применения топлив, их хранения и транспортирования необходимо изучение основных закономерностей, определяющих испарение, воспламенение и горение топлив, а также их полноты сгорания.

В работе описан процесс прогрева капель жидкости при разных условиях теплообмена, когда капля помещена в нагретый поток с постоянной скоростью и для сравнения когда дисперсная капля, полностью увлекается нагретым потоком; рассмотрен процесс испарения капель жидкостей, уделено внимание скорости испарения капли, получена формула для определения объемной скорости испарения капли, проанализирован процесс воспламенением капель жидкостей.

На запатентованных разработанных установках экспериментально исследованы стадии процесса горения одиночной капли помещенной на подвесе в поток нагретого воздуха. Разработанные методы исследования дали возможность определить кинетические показатели испарения, воспламенения и горения капель топлив в потоке нагретого воздуха, а также технологические - неполноту сгорания. Исследования проводились с горючими жидкостями растительного происхождения (рапсовое масло, метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ), соапсток, а также смесь соапстока с различным процентным содержанием в нем этилового спирта и рапсового масла), дизельным топливом, а также смеси дизельного топлива с различным процентным содержание МЭРМ, мазутом М40, мазутом М100 (с содержанием в нем воды, как активатора: 1,2 %, 10 %, 20 %) и различным процентным содержанием в каждом из М100 соапстока. Мазут М100 и соапсток имели сертификат качества.

Проведен термический и термогравиметрический анализ исследуемых горючих жидкостей.

С помощью известных программ ASTRA-4 и PLASMA проведен расчет равновесного состава продуктов сгорания и теплотворной способности топлива содержащего добавки этилового спирта и рапсового масла в соапстоке, содержащего добавку соапстока в трех видах мазута, в первом случае теплотворная способность топлива увеличивается, в другом уменьшается.

Получены результаты исследований по влиянию присадок (ароматические, кислородосодержащие соединения, нитросоединения) на время задержки воспламенения, снижения нагарообразования мазута М40.

Поскольку в разделе математического моделирования и, соответственно, в проведенных экспериментах с каплей разных горючих жидкостей подразумевалось, что для исследования бралась сплошная капля с определенным диаметром, а на в самом деле эксперимент проводился с составной каплей, т.е. жидкость обволакивала подвес определенного диаметра, то характер теплообмена сплошной капли отличался от теплообмена составной капли, поэтому была поставлена и решена задача для модели теплообмена составной капли (металл и сферический слой с параметрами капли), проведено моделирование процесса теплообмена, проведено сравнение результатов полученных при моделировании с результатами эксперимента. На построенных для сравнения графиках полученные кривые качественно схожие, погрешность не превышает 20 %, такая погрешность может быть объяснена погрешностями измерений, а также погрешностью задания параметров эксперимента при математическом моделировании.

Ключевые слова: рапсовое масло, соапсток, время прогрева, воспламенение, горение, составная капля, установка.

ANNOTATION

M.I. Kulik. Increasing phytogenic energy carrier efficiency for heat energy equipment. - A manuscript.

Dissertation for the candidate of technical science degree in specialty 05.14.06 - Technical thermal physics and industrial heat power engineering. - A.M. Podgorny Institute of Mechanical Engineering Problems of the National Academy of Sciences of Ukraine. Kharkov, 2009.

The thesis is devoted to the investigation of flaming and combustion of alternative and oil fuels, rapeseed oil and soap stock as its products (combustible settling after alkalinous purification of rapeseed oil). The further usage of rapeseed oil in heat power engineering equipment is also considered that allows, on the one hand, efficient recycling and, on the other hand, by adding this product into traditionally used fuel (black oil fuel) makes possible to save the material.

All stages of isolated rapeseed oil drop combustion placed into hot air current were investigated by experiment on the patented developed machines. Mathematic simulation of rapeseed oil drop has been conducted, heat change for composite drop model - sphere (the sphere consists of metal suspension and a layer of liquid on it) has been considered. According to the developed MathCAD computer program the transcendental equation has been obtained by dividing a section in halves. The time of compound drop heating has been determined.

Key words: rapeseed oil, soap stock, time of heating, flaming, combustion, compound drop, installation.

Размещено на Allbest.ru

...