Исследование теплофизических свойств химически реагирующих систем при высоких температурах

• Автор: Шмельков, Юрий Борисович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 145 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

Глава 1. Современное состояние вопроса

1.1 Обзор данных по свойствам переноса газов и их смесей

1.2 Обзор данных по составу и свойствам продуктов сгорания твердых топлив

Г лава 2. Методы моделирования теплофизических свойств многокомпонентных систем

2.1 Метод определения состава и термодинамических свойств системы

2.1.1 Определение состава сложных многокомпонентных систем

2.1.2 Определение термодинамических свойств сложных систем

2.1.3 Описание алгоритма и работы программного кода ТЕТЯАЫ

2.2 Метод определения свойств переноса для многокомпонентной газовой смеси-
2.2.1 Исходные данные и методы их определения
2.2.2 Метод расчета вязкости газовой смеси
2.2.3 Метод расчета коэффициента теплопроводности для газовой смеси
2.2.4 Определение теплопроводности без учета химических реакций
2.2.5 Определение вклада в теплопроводность смеси газов за счет химических реакций
2.2.6 Определение вклада в свойства за счет ионизации
Глава 3. Результаты расчетов
3.1 Верификация методов
3.2 Подготовка исходных данных
3.3 Расчет реальных систем
3.3.1 Результаты расчета для энергетических углей
3.3.2 „Результаты расчета для ракетных топлив
3.3.3 Результаты расчета для сланцев
Заключение
Список литературы
Приложение А Таблицы теплофизических свойств продуктов сгорания основных энергетических углей России

ВВЕДЕНИЕ
Теплофизические свойства газов и их смесей в том или ином виде присутствуют во всех уравнениях гидродинамики и теплообмена (см. например [1, 2] и многие другие источники), а также в безразмерных критериях подобия. В связи с этим, важной с технической и научной точек зрения задачей, является поиск их зависимости от основных параметров среды (системы). Результаты решения этой задачи могут применяться при разработке технических устройств, в которых в процессе работы возникают и длительное время существуют при высокой температуре многокомпонентные гетерогенные системы. К числу таких аппаратов можно отнести камеры сгорания воздушно-реактивных и ракетных двигателей, топки теплоэлектростанций и ряд других устройств, в которых протекают высокотемпературные процессы. Отметим, что под теплофизическими свойствами в дальнейшем понимаются термодинамические свойства систем и свойства переноса. Однако зачастую невозможно или весьма затруднительно провести экспериментальные исследования свойств в необходимом диапазоне основных параметров. Поэтому важно иметь возможность получать зависимости состава, термодинамических свойств и свойств переноса системы от ее основных параметров, таких как температура и давление, с помощью численного моделирования.
В настоящее время большое внимание уделяется экологически чистым и безопасным способам применения органических топлив в промышленности и энергетике [3, 4]. В данной работе подробно рассматриваются свойства продуктов термической переработки органических топлив, например углей и сланцев. Для оценки эффективности разрабатываемых устройств необходимо иметь данные по выходам загрязняющих веществ, в частности, актуальна проблема выброса микроэлементов [5, 6, 7]. Для корректного моделирования переноса микроэлементов внутри топочных устройств и их теплообмена с окружающей средой, необходимо иметь данные по вязкости, плотности, теплоемкости и теплопроводности несущей газовой фазы, представляющей собой сложную, многокомпонентную смесь продуктов термической переработки угля или сланца. Однако в существующей литературе теплофизическис свойства продуктов сгорания углей представлены достаточно слабо. Фактически достоверные данные представлены только в работе [8] для ограниченного диапазона температур.
В ходе настоящей работы была проведена модернизация существующих моделей свойств переноса для многокомпонентных газовых смесей. Также была разработана новая модель учета химической составляющей теплопроводности. С использованием существующих и модернизированных термодинамических и физико-кинетических моделей,

было проведено расчетное исследование теплофизических свойств газовой фазы продуктов пиролиза, газификации и сгорания основных энергетических углей и сланцев в зависимости от температуры и давления. На основе аппроксимации расчетных данных получены простые зависимости основных теплофизических свойств для продуктов сгорания органических топлив от давления и температуры. Полученные результаты актуальны для работ, связанных с проектированием и расчетом котельных агрегатов и топочных устройств тепловых электростанций.
Следует отметить, что в связи с очень большим разнообразием топлив, используемых в различных технических приложениях, а также широким набором параметров состояния, при которых должны быть определены теплофизические свойства, практически не представляется возможным опытное определение теплофизических свойств всех состояний рассматриваемых систем. Поэтому расчетные методы в этом случае являются единственно приемлемыми.
Кроме того, были проведены численные исследования теплофизических свойств газовой фазы продуктов сгорания твердых композитных ракетных топлив. Помимо определения термодинамических свойств и свойств переноса, анализировалось возможное образование оксидов азота и серы, которые являются наиболее опасными с точки зрения экологии.
Цель работы. Целью диссертационной работы является получение новых знаний в области моделирования теплофизических свойств сложных химически реагирующих систем при высоких температурах. Для достижения этой цели необходимо решить ряд задач, среди которых:
• Разработка новых методов определения вклада в теплофизические свойства газовых смесей, возникающего за счет химических реакций. Реакционный вклад в теплопроводность газовых смесей играет существенную роль уже при температурах порядка 1500 - 2000 К.
• Модернизация существующих методов расчета термодинамических свойств и свойств переноса многокомпонентных газовых смесей, их развитие для более широкого рабочего диапазона основных параметров. Под основными параметрами в данном случае понимаются давление, температура и объем системы.
• Создание базы данных по интегралам столкновения основных пар компонентов, образующихся при термической переработке органических топлив. Интегралы столкновения играют ключевую роль при определении свойств переноса, как

|д;- = ц- (т,р)+ ЯТ 1п X] (2.1.18)
Ц. = цг- {т,р)+ ЛПп х;-уг- (2.1.19)
Как видно из (2.1.18) и (2.1.19), отличие химического потенциала идеального раствора от неидеального состоит в появлении в (2.1.19) коэффициента активности у;-,
который в свою очередь может являться функцией всех входящих в раствор, а также р и Т.
Если раствор идеален при всех х- вплоть до х;- —» 1, то
^(т,р)=^{т) (2.1.20)
представляет собой химический потенциал чистого вещества (2.1.17). Если раствор идеален лишь для ограниченной области изменения х-, и, в частности, не идеален при
х;- —» 1, то цг- (Т,р) следует рассматривать как предельное значение химического
потенциала в рас творе при х ■ —> 1.
Для раствора, состоящего из двух компонент, удельная энергия Гиббса равна:
g = Х|£| + х-2^2 + КТХ 1° х] + КГХ2 'п х2 (2.1.21)
Сумма двух последних членов в (2.1.21) представляет удельную свободную энергию М 0
смешения g . ,§■] и g2 в выражении (2.1.21) — это свободные энергии чистых веществ 1 и
2, Хр*2 — мольные доли чистых веществ 1 и 2. Согласно уравнению Гиббса-Гельмгольца энер
м /т'

для свободной энергии g , с учетом (2.1.21), получаем:

---2“ = ° (2.1.22) Р,х]

Здесь И — энтальпия смешения раствора. Из (2.1.22) видно, что смешение двух компонент, образующих идеальный раствор, происходит без изменения энтальпии, то есть при постоянных Т и р не происходит выделения или поглощения тепла. Не происходит также М
и изменения объема Э , поскольку