Abstract

Scopul acestei lucrări este de a efectua o cercetare experimentală a emisiilor de substanțe periculoase la ieșirea din camera de combustie simulată. Experimentul a fost efectuat într-o cameră de combustie simulată. Camera de combustie a inclus un dispozitiv de ardere; un sistem de alimentare cu combustibil lichid; și un tub de flacără cu două rânduri de găuri de amestec și un rând de găuri de răcire. Modul de funcționare a camerei de combustie a fost = 0,435, = 423 K, iar presiunea atmosferică. Rata de ardere a combustibilului lichid a fost de 0,77 g/s. Raportul de presiune în camera de ardere a rămas constant la = 3%. Au fost utilizate două tipuri de combustibil: kerosen de aviație de marcă TS-1 din Rusia și surogatul de combustibil a fost un amestec de n-decan (C10H22) cu adaosuri de benzen (C6H6). Adaosurile de benzen au fost de 5% până la 30% (n-decan/benzen: 95/5, 90/10, 85/15, 80/20, 75/25 și 70/30).

1. Introducere

Camera de ardere este una dintre părțile principale ale unui motor cu turbină cu gaz care definește caracteristicile de emisie ale acestuia. În prezent, problema emisiilor motoarelor cu turbină cu gaz a fost rezolvată în principal prin intermediul calculelor semiempirice și al dezvoltării experimentale a prototipurilor. Această abordare necesită multă forță de muncă și oferă puține informații despre procesele din interiorul camerei, ceea ce împiedică punerea în aplicare a standardelor OACI.

Tehnicile moderne de proiectare și depanare a camerelor de combustie ale motoarelor cu turbină cu gaz ar trebui să utilizeze dinamica computațională a fluidelor (CFD). Calculele CFD ar trebui să se bazeze pe rezolvarea simultană a ecuațiilor dinamicii gazelor și a cineticii chimice detaliate. Cu nivelul actual al puterii de calcul, rezolvarea unor astfel de probleme în următoarele decenii nu pare posibilă. O altă soluție ar putea fi utilizarea unor metode hibride. O metodă hibridă ar trebui să rezolve fiecare problemă în parte și apoi să le combine într-un singur algoritm. Simularea cineticii chimice nu poate fi concepută fără utilizarea unor mecanisme de reacție detaliate și reduse. Pentru a dezvolta mecanisme cinetice este necesar să se cunoască compoziția exactă a combustibilului inițial. Principalul tip de combustibil pentru motorul turbinei cu gaz este kerosenul de aviație. Kerosenul este format din zeci de componente separate de hidrocarburi. Compoziția sa poate varia în funcție de materiile prime și de producători. Simularea numerică necesită un amestec format din componentele cunoscute și care să conțină un număr limitat de constituenți chimici. Aceste amestecuri se numesc surogate. Un surogat trebuie să reproducă principalele caracteristici ale combustibilului real.

Un mecanism cinetic detaliat de oxidare a surogatului trebuie să imite proprietățile chimice esențiale ale kerosenului. Mecanismele reduse sunt utilizate pentru calcularea dinamicii gazelor și ar trebui să descrie identic proprietățile fizice ale kerosenului, precum și pentru a prezice cu exactitate distribuția temperaturii și concentrația de combustibil recuperat în camera de combustie.

Pentru a dezvolta metode hibride de simulare CFD a performanțelor de mediu ale camerei de combustie, este necesar să se rezolve două probleme principale: (1)Adaptarea surogatului de kerosen de aviație. Surogatul ar trebui să reproducă corect proprietățile chimice sau fizice ale kerosenului.(2)Dezvoltarea unor mecanisme detaliate și reduse de oxidare a surogatului.

Soluționarea acestor probleme (împreună sau în combinație) ar putea oferi o bază solidă pentru dezvoltarea unei metode hibride. Această cercetare s-a concentrat pe rezolvarea primei probleme.

2. Surrogatul de kerosen

Toate componentele combustibililor complecși pot fi împărțite în mai multe clase structurale. Acestea sunt alcanii (hidrocarburi saturate care au o structură liniară sau ramificată), alchenele (hidrocarburi cu legături duble), cicloalcanii (hidrocarburi saturate care conțin un inel) și hidrocarburile aromatice (molecule care conțin inele benzenice) . Tabelul 1 reprezintă compoziția medie a unor carburanți pentru aviație . Cea mai mare parte a combustibilului sunt alcani: cantitatea totală a acestora ajunge la 65%, iar împreună cu cicloalcanii reprezintă 79-97%. O parte considerabilă (până la 20%) este constituită de hidrocarburi aromatice. Pe de altă parte, concentrația de alchene în combustibil este nesemnificativă.

Diverse lucrări sugerează un număr mare de înlocuitori pentru kerosenul de aviație Jet-A, care este utilizat în mod obișnuit în SUA. Jet-A este analog cu kerosenul rusesc TC1. Lucrările de mai sus prezintă mecanisme cinetice de simulare a aprinderii și arderii acestor surogate. Cei mai simpli surogate sunt combustibilii monopropelanți. Autorii au simulat arderea Jet-A cu n-decan ca surogat. Cooke et al. au folosit n-dodecanul în același scop și au demonstrat un rol important al radicalilor hidroperoxid de alchil în oxidarea lentă a hidrocarburilor.

Cum kerosenul conține până la 20% hidrocarburi aromatice care au propriile caracteristici specifice în cinetica de oxidare, aceste componente trebuie neapărat să fie incluse în surogat. Următorii compuși aromatici pot fi luați în considerare ca opțiuni posibile: benzen, toluen, trimetilbenzen, n-propil benzen, n-butil benzen și altele. Lindstedt și Maurice au arătat numeric că structura flăcării de kerosen poate fi descrisă cu o precizie rezonabilă printr-un surogat: 89% n-decan și 11% hidrocarburi aromatice (benzen, toluen și etilbenzen).

Majoritatea lucrărilor privind surogatele se ocupă cu studierea și compararea caracteristicilor fundamentale ale acestora: viteza flăcării laminare, timpul de întârziere la aprindere și așa mai departe. Această cercetare a comparat produsele de ardere ale kerosenului și ale surogatului său în timp ce ardeau în echipamente reale. Surogatul a constat din n-decan și benzen în diferite proporții: 100% n-decan, 95/5%, 90/10%, 85/15%, 80/20% și 75/25% n-decan/benzen.

3. Configurația experimentală

Experimentul a fost efectuat într-o cameră de combustie simulată (figura 1), care are un dispozitiv de ardere, un sistem de alimentare cu combustibil lichid și un tub de flacără cu două rânduri de găuri de amestec și un rând de găuri de răcire. Modul de funcționare a camerei de combustie a fost = 0,435, = 423 K, iar presiunea atmosferică. Rata de ardere a combustibilului lichid este de 0,77 g/s. Raportul de presiune în camera de ardere care a rămas constant la = 3%. este presiunea totală la intrarea în camera de ardere (const); este presiunea totală la ieșirea din camera de ardere (const).

Figura 1

Camera de combustie simulată.

S-au efectuat încercări experimentale la instalația experimentală de înaltă temperatură cu o cameră de combustie simulată. Instalația experimentală poartă un debitmetru fabricat de SMC, un regulator pneumatic cu supape de reținere, debitmetre/controlere masice din seria EL-FLOW® fabricate de Bronkhorst High-Tech, un sistem de alimentare cu combustibil lichid și un încălzitor de aer de intrare. Vederea generală a instalației de înaltă temperatură conectată la conducta de combustibil și la conductele de aer este prezentată în figura 2.

Figura 2

Vederea generală a instalației de înaltă temperatură.

Pentru a egaliza câmpul de viteze, la intrarea încălzitorului este prevăzut un dispozitiv de egalizare. Pentru alimentarea principală cu combustibil, există un sistem de pompare. Pentru alimentarea cu combustibil de substituție, există un sistem de alimentare sub presiune. Sistemul de alimentare sub presiune constă din următoarele: un rezervor de combustibil (10 litri), un sistem de presurizare și alimentare a rezervorului de combustibil și un filtru fin pentru propulsoare compozite.

Sistemul de control al pompei de înaltă presiune face posibilă modificarea presiunii de ieșire în intervalul cuprins între 0,4 și 1,5 MPa la un debit de cel puțin 250 l/h.

Compoziția produselor de combustie a fost definită prin tehnica de contact bazată pe prelevarea de probe. Această metodă este în prezent cea mai dezvoltată și este utilizată pe scară largă în practica experimentală.

Linia de prelevare a probelor (figura 6) este formată dintr-un prelevator (1), un absorbant Richter (2), o pompă (3) încorporată în analizorul SICKGMS-810 (4), pipete Seger (5) și un contor de gaz GSB-400 (6). GSB-400 este utilizat pentru a estima volumul , M3 și debitul , M3/c al gazelor prelevate.

Eșantionul – de la punctul de prelevare până la pipetele Seger – a fost pompat cu o pompă încorporată în analizorul SICKGMS-810. Această configurație a liniei de eșantionare a permis pomparea simultană a probei prin intermediul pipetelor Seger și deshidratarea și analiza acesteia.

În timpul eșantionării, produsele de combustie au fost pompate prin intermediul pipetelor Seger cu un debit de M3/c, volumul fiind egal cu 20 de volume de pipete. Probele de gaz obținute au fost analizate cu ajutorul cromatografiei în fază gazoasă. Prelevarea a fost efectuată la ieșirea din camera de combustie simulată. Tabelul 2 prezintă condițiile inițiale pentru fiecare caz experimental.

4. Rezultate

Cercetarea experimentală a dus la obținerea relației dintre fracția masică de CO2, CO, hidrocarburi nearse (CnHm), O2, H2, H20, N2 și procentul de benzen din surogat (figurile 3-12). Aceste figuri prezintă, de asemenea, rezultatele analizei pentru probele de ardere a kerosenului.

Figura 3

Comparare a fracției masice de CO2 pentru surogat și pentru arderea kerosenului.

Cele prezentate arată că produsele de ardere ale kerosenului nu s-au potrivit cu niciunul dintre cazurile amestecului în ardere. Temperatura medie la ieșirea din camera de ardere a fost aceeași pentru toate cazurile de amestec. Dar eficiența combustiei a crescut odată cu creșterea conținutului de benzen în amestec. Eficiența combustiei a fost calculată ca raport între entalpia amestecului inițial și entalpia produselor de ardere incompletă. este entalpia amestecului (benzen/n-decan/aer); este entalpia produselor de ardere.

Mijlocul format din benzen și n-decan are o temperatură de evaporare mai mică decât kerosenul. Creșterea cantității de benzen din amestec reduce temperatura de evaporare. Prin urmare, utilizarea amestecului îmbunătățește caracteristicile de pulverizare și evaporare a combustibilului. Acest lucru a dus la o ardere mai eficientă și la o mai bună eficiență a combustiei și nu a modificat temperatura medie la ieșire și în camera de ardere. Figura 11 arată că axa temperaturii din camera de ardere nu diferă cu mai mult de 15°. Temperatura diferă cu mai mult de 170° în apropierea peretelui. Acest fapt arată modificarea structurii dinamice a fluxului de gaz și în interiorul camerei de ardere. Dinamica gazelor pentru kerosen și pentru surogat este diferită. Pentru o predicție mai precisă a produselor de ardere, ar trebui să se adauge la surogat un component sau un grup de componente. Amestecul obținut ar trebui să reproducă proprietățile fizice ale kerosenului: vâscozitatea și tensiunea superficială a picăturii.

5. Concluzii

În această lucrare s-a studiat efectul adăugării benzenului în amestecul de surogat. Studiul experimental a fost realizat într-o cameră de combustie simulată. Camera de combustie simulată încorporează toate procesele majore care au loc în camerele de combustie comerciale. S-a făcut o comparație pentru produsele de combustie ale kerosenului de aviație TS-1 și ale amestecului surogat. Studiul a arătat că utilizarea unui amestec de benzen (20-30%) și n-decan ca și combustibil oferă valori similare în comparație cu kerosenul prin distribuția temperaturii. Eficiența de combustie este, de asemenea, crescută cu 4%. Emisia de poluanți este foarte diferită. Emisia de poluanți este foarte diferită, deoarece este foarte diferită dinamica gazelor prin arderea kerosenului și a amestecurilor. Rezultatele reprezintă baza de date pentru verificarea modelelor CFD.

Nomenclatură

Conflicte de interese

Autorii declară că nu au conflicte de interese în ceea ce privește publicarea acestei lucrări.

Recunoștințe

Această lucrare a fost susținută de Ministerul Educației și Științei al Federației Ruse în cadrul implementării Programului „Cercetare și dezvoltare pe direcțiile prioritare ale complexului științifico-tehnologic al Rusiei pentru 2014-2020” (RFMEFI58716X0033). În aceste studii au fost utilizate echipamente ale centrului de utilizare comună a tehnologiei CAM (RFMEFI59314X0003).

.