Реализация хладоресурса углеводородных топлив в силовых и энергетических установках (стр. 5 из 7)
Среднее значение глубины проникновения температурных пульсаций при испарении микрослоя топлив с поверхности отложений, согласно оценкам, выполненным по формуле
, (7)не превышает 0.1 мм.
Для описания теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в условиях образования на поверхности нагрева отложений получена расчетная зависимость
, (8)где a рассчитывается из уравнения (5).
Параметр
определяется из выражения 
[dотл/hср+(1-dотл/hср)2 
]2 . (9)Выражение (8) отличается своей универсальностью. Так для чистой поверхности выражение под корнем =1. Для условия, когда толщина отложений dотл, превышает величину глубины температурных пульсаций (hср/dотл<1), расчет ведется согласно теплофизическим свойствам отложений, а для случая, когда (hср/dотл>1), используется выражение (9)
Погрешность расчета по зависимости (8) не превышает ± 35 % для всех исследованных топлив.
Глава 4 посвящена моделированию процессов теплообмена и образования коксоотложений при течении углеводородных топлив в топливных каналах силовых и энергетических установок. Предложена трехстадийная схема образования веществ кокса
Топливо + Кислород 
Промежуточные продукты
Промежуточные продукты + Топливо 
ВМС (10)
ВМС 
кокс
Рассмотрим окисление углеводородов по этой схеме при развитом турбулентном течении в обогреваемых каналах.
Поскольку концентрации продуктов окисления весьма малы (~10-4 моль/л) и концентрация кислорода незначительна (~10-2 моль/л), изменением концентрации топлива и тепловыми эффектами реакции окисления можно пренебречь, и течение окисляемого топлива можно отнести к классу течений химически реагирующих сильно разбавленных жидкостей.
Система уравнений гидродинамики и теплообмена записывается в виде:
, (11) 
, (12) 
, (13) 
(14) 
, (15) 
(16) 
(17) 
(18) 
(19)с граничными условиями:
x=0: wx=
, wr=0 h=hо(r);r=0:
; (20)r=rw:
wx=wr=0 ; - 
В этих уравнениях: wx и wr –составляющие скорости вдоль оси трубы x и радиуса r; h –энтальпия; P –давление; r –плотность; t и q –суммарное (молекулярное и турбулентное) касательное напряжение и поперечный тепловой поток, которые выражаются через кинематический коэффициент турбулентной вязкости et и коэффициент турбулентной температуропроводности eq; m –динамический коэффициент вязкости; l ‑коэффициент теплопроводности; Cp –теплоемкость.
Тогда выражения (14) и (16) с учетом (17) и (18) перепишутся в виде
t
; q= 
(21)где Pr=n/a ‑молекулярное число Прандтля;
Prт=et/eq –турбулентное число Прандтля, которое принимается равным единице.
Коэффициент турбулентной вязкости при переменных физических свойствах et рассчитывается по формуле В.Н. Попова (Попов В.Н. и др. Теплообмен и турбулентное течение воды сверхкритических параметров состояния в вертикальной трубе при существенном влиянии свободной конвекции. //Теплоэнергетика. 1986. №4. С.22-29):
, (22)Коэффициент турбулентной вязкости при постоянных физических свойствах
определяется по формуле Рейхардта, уточненнной для относительно малых чисел Рейнольдса (3.103 £ Re £ 2.104): 
(23)Здесь R=r/rw=1-h/hо , hо=
.Система уравнений баланса масс имеет вид:
, i=1,2,3 (24)где ji -соответственно, источниковый член. Для кислорода (i=1), промежуточного продукта (i=2) и ВМС (i=3); сi‑весовая концентрация; Di и DTi соответственно коэффициенты молекулярной и турбулентной диффузии, рассчитываемые согласно теории кинетики химических реакций.
Граничные условия :
r=0;
=0.х=0; C1=Co; C2,3=0 (25)
r=rw ;
; 
.Запишем выражения для источниковых членов:
j1=K1c1cRHr2/МRH ;
j2=K1c1cRH/
-K2c2cRHr/МRH ; (26)j3=K3c3cRHr2/МRH
Мi -молекулярная масса, кг/кмоль; Ki=Ai.exp(-Ei/RT) -константы скоростей реакций окисления углеводорода.
Система уравнений (11-26) решается конечно‑разностным методом.
В качестве последнего граничного условия (25) принято равенство диффузионного потока потоку массы вследствие реакции на стенке: J3w=Kwc3w, где Кw -константа скорости реакции на стенке. Величина Kw выбрана из условия совпадения с экспериментом по скорости образования коксоотложений в кинетическом режиме.
Для учета влияния дезактивации металлической поверхности вследствие коксоотложений принималось, что скорость дезактивации имеет первый порядок по константе скорости основной поверхностной реакции:
, (27)где tн -время наработки, Kg -константа скорости дезактивации, определяемой по изменению доли площади поверхности, покрываемой отложениями.
Данная модель позволила детально изучить свойства процесса коксоотложения на основе результатов численного моделирования. Это особенно важно при изучении такого сложного процесса, как термоокисление топлив, т.к. многие стадии этого процесса практически не поддаются экспериментальным исследованиям.
Рис.14. Распределение концентраций продуктов окисления
реактивного топлива РТ по длине канала х
(трубка Æ4х1500; 1 -О2; 2 –промеж. прод.; 3 -ВМС).
Результаты моделирования условий образования кокса при течении нагреваемых топлив в каналах продемонстрированы на рис. 14, где приведена зависимость среднемассовых концентраций кислорода, промежуточного продукта, ВМС по длине канала х при тепловой нагрузке qw=3,8.105 Вт/м2; расходе G=0,585.10-2 кг/с; и температуре на входе Твх=373 К для топлива РТ. Концентрация примесей принималась равной нулю.
Вглаве 5 представлены данные по теплообмену и образованию отожений при течении углеводородных топлив в условиях реализации химического хладоресурса.
Химический хладоресурс так же, как и физический, может использоваться при подводе тепла к топливу непосредственно от теплонапряженных элементов при их охлаждении или же как промежуточный теплоноситель (например, в топливо-воздушном или топливо-газовом теплообменнике). При этом продукты химических превращений топлив могут быть перед подачей в камеру сгорания использованы в качестве рабочего тела для привода агрегатов системы топливопитания двигателя. Появляется возможность разработки комбинированных ВРД новых схем, работающих по более современным, чем цикл Брайтона, термодинамическим циклам за счет использования возможностей топлива как хладагента, рабочего тела с высокой газовой постоянной и высококалорийного горючего.