Труды №4 2012 6x - Карагандинский государственный

Раздел «Транспорт. Строительство»
УДК 622.012.3:629
Расчет теплового баланса систем очистки
отработавших газов энергетических
установок транспортной техники
Б.Ш. АСКАРОВ, магистр, ст. преподаватель,
И.А. ПАК, ст. преподаватель,
А.Т. ЖУМАБЕКОВ, ст. преподаватель,
Карагандинский государственный технический университет, кафедра АТ
Ключевые слова: расчет, теплообменник, дизель, нейтрализотор, транспорт, газ, баланс, установка,
камера, топливо, смесь, подогрев.
онструктивные, функциональные и геометрические
термических систем очистки
(нейтрализации)
отработавших
газов
(ОГ)
автомобильного транспорта определяются на основе
результатов предварительно проведенного теплового
расчета. Термические нейтрализaторы представляют
собой устройства, осуществляющие дожигание
продуктов неполного сгорания топлива, поступающих
в выпускную систему дизеля [1].
Рабочий процесс в термическом нейтрализаторе
отработавших газов для расчетных целей удобно
разделить на три стадии: подогрев обезвреживаемой
газовой смеси в теплообменнике; дальнейший
подогрев за счет смешения с продуктами сгорания
дополнительного топлива; окисление примесей в
реакционной камере.
В свою очередь, окисление примесей проходит
период индукции, период развитой реакции и стадию
выгорания окиси углерода.
Стадии
подогрева
смеси
дополнительным
топливом и окисления примесей во многих случаях
частично или полностью протекают параллельно.
Выгорание бедных смесей в типичных условиях
термического обезвреживания вредных компонентов
представляет собой сравнительно медленный процесс,
в целом лимитируемый скоростью химических
реакций.
Случай горения бедных смесей требует
организации
принудительного
подогрева
до
температур, при которых реакции по окислению
протекают достаточно быстро. Эта цель может быть
достигнута сжиганием дополнительного топлива или
применением теплообменников.
Из этого следует, что по технико-экономическим
и технико-логическим соображениям оба эти приема
целесообразно использовать совместно, а применение
регенерации тепла в сочетании со сжиганием
дополнительного топлива надо рассматривать как
наиболее типичный вариант организации рабочего
процесса.
Схема общего случая рабочего процесса в
термическом нейтрализаторе с теплообменником
приведена на рисунке. Графики показывают
возможный характер изменения температуры по ходу
газового тракта нейтрализатора.
К характеристики
4  2012
Свежая смесь с температурой t1 подогревается в
теплообменнике 1, затем поступает в реакционную
камеру, где с помощью горелки 3 сжигается
дополнительное топливо. В результате смешения
газов с продуктами горения дополнительного топлива
их величина повышается на величину δtДТ. Считается,
что смешение основного потока с продуктами горения
быстро протекает на начальном участке реакционной
камеры. Затем в реакционной камере, в общем случае,
протекает реакция окисления нейтрализуемых
примесей и газы поступают снова в теплообменник,
где охлаждаются, отдавая тепло поступающей смеси.
Часть топлива для уменьшения образования окислов
азота может быть отдана в газовый поток до
теплообменника через форсунку.
При нулевой поверхности теплообмена (F = 0)
подогрев
осуществляется
только
сжиганием
дополнительного топлива. Средняя температура в
реакционной
зоне
при
этом
невысокая
и
обезвреживание примесей практически не будет
обеспечено. При наличии теплообменника холодная
смесь принудительно подогревается за счет передачи
тепла от продуктов реакции и температурный уровень
в реакционной зоне повышается.
При некоторой поверхности теплообмена F1
температура после горелки достигает минимальной
величины tРmin, обеспечивающей достаточно полное
окисление обезвреживаемых примесей в пределах
располагаемого времени пребывания. При этом
теплота окисления примесей участвует в создании
температурного напора в теплообменнике.
При дальнейшем увеличении поверхности
теплообмена до F2 > F1 окисление примесей
завершается за более короткое время. При этом
появляется избыток объема реакционной камеры.
Таким образом, теплообменник в схеме
термического
нейтрализатора
повышает
температурный
уровень,
позволяя
при
незначительном расходе дополнительного топлива
достигать высоких температур в реакционной зоне, а
следовательно, повышать эффективность очистки
вредных выбросов.
Нами
предлагается
следующая
методика
теплового расчета термического нейтрализатора с
теплообменником для карьерного транспорта.
1
Раздел «Транспорт. Строительство»
1 – теплообменник; 2 – реакционная камера; 3 – горелка
Схема рабочего процесса в термическом нейтрализаторе
Целью данного теплового расчета является
t4 – температура, до которой охлаждаются
определение: t2 – температуры подогрева в
отработавшие газы в теплообменнике, °С.
теплообменнике; t4 – температуры, до которой ОГ
Вследствие равенства разностей температур на
охлаждаются в том же теплообменнике; Q – «горячем» и «холодном» концах теплообменника
суммарного тепловыделения в реакционной зоне; QСО (t4 – t1 = t3 – t2) эффективный температурный напор
– количества теплоты, выделяемого при сгорании равен среднеарифметическому этих величин:
горючего компонента; определение на основе этих
Q
(t  t )  (t3  t2 )
tCP  4 1

 t3  t2 .
(3)
параметров расхода дополнительного топлива GДТ
2
G  CP
соответственно режимам работы двигателя [2, 4].
Количество тепла, переданного в теплообменнике
Таким
образом,
температурный
напор
поступающей газовой смеси, можно определить по теплообменника при принятых допущениях равен
формуле:
разности температур в реакционной зоне и не зависит
(1) от поверхности теплообмена.
Q  K  F  tCP  G  CP  (t2  t1 ),
Из уравнений (1) и (3) следует:
где K – коэффициент теплопередачи, кДж/(м2·°С·ч);
Q
F – поверхность теплообмена, м2;
t3  t2 
;
(4)
G  CP
∆tСР – эффективный температурный набор, °С;
G – количество газовой смеси, кг/ч;
K  F Q
CР – теплоемкость газовой смеси, кДж/(кг·°С);
t2  t1 

;
(5)
G  CP G  CP
t2 – температура подогрева в теплообменнике, °С;
t1 – температура свежей смеси, °С.

K  F  Q
Предполагая отсутствие
потерь тепла и
(6)
t3  t1  1 
.

пренебрегая зависимостью СР от температуры, на
 G  CP  G  CP
основании теплового баланса имеем:
Эти соотношения иллюстрируют тот факт, что
Q
суммарное
тепловыделение влияет не только
t4  t1  t3  t2 
,
(2)
непосредственно на конечную температуру продуктов
G  CP
реакции t3, но и на начальную температуру t2 за счет
где Q – суммарное тепловыделение в реакционной
изменения температурного напора теплообменника.
зоне, кДж/ч;
Степень влияния на температуру t2 определяется
t3 – температура окисления обезвреживаемых
коэффициентом пропорциональности:
примесей, °С;
4  2012
2
Раздел «Транспорт. Строительство»
N
K F
.
G  CP
Из уравнений (4) и (5) легко получить следующее
выражение для N:
N
t2  t1


,
t3  t2 1  
(7)
где χ – степень регенерации.
В качестве характеристики регенератора примем
степень регенерации χ = 0,85. Температура t1, с
которой свежая смесь поступает в теплообменник, на
холостом ходу двигателя равна 260 °С, на средних
нагрузках – 450 °С и на максимальных нагрузках –
650 °С. Температуру, обеспечивающую достаточно
полное окисление обезвреживаемых компонентов,
принимаем равной 750 °С.
Таким образом из уравнения (7) находим
температуру подогрева отработавших газов в
теплообменнике t2:
t2    (t3  t1 )  t1 .
удельная теплота сгорания окиси углерода
qСО = 13,0·106 Дж/кг.
Предварительно
можно
найти
количество
теплоты, которое выделяется при сгорании окиси
углерода, зная его концентрацию в отработавших
газах:
Q CO  qCO  M CO ,
(14)
где Mсо – масса окиси углерода соответственно
концентрации в отработавших газах, кг.
Вычитая из общего количества теплоты,
выделяемой в реакционной зоне, количество теплоты,
которое выделилось при сгорании окиси углерода,
находим то количество теплоты, которое должно
выделиться при сгорании дополнительного топлива,
т.е.
Q ДТ  Q  Q CO ,
(15)
(8)
Из уравнения (2) определяем температуру, до
которой охлаждаются отработавшие газы, проходя
теплообменник:
t4  t3  t2  t1 .
(9)
Значение
суммарного
тепловыделения
в
реакционной зоне можно найти из следующего
выражения:
t3
Q  VH  CPM  (t3  t2 ),
(10)
t2
где Q – количество суммарного тепловыделения, кДж/ч;
VH – объем отработавших газов, м3/ч;
CPM – теплоемкость при постоянном давлении,
кДж/(м3·°С).
Для газовой смеси уравнение (10) преобразуется в
следующее:
t3
t2
0
0
Q  VH  (CPM  t3  CPM  t2 ).
(11)
Для t3:
t3
 t3

C

V

C
PMO
2
O
2
PMCO
2  VCO 2  
 0
t3
0
  t3 ,
CPMCM  t3  
t3
t3
0
C


V

C

V

PMN 2
N2
PMH 2 O
H 2O 
0
0


(12)
где СРМ – теплоемкость данного вида газа
(справочные данные), кДж/(м3·°С);
V – объемная доля данного вида газа
(экспериментальные данные).
Аналогично и для t2:
t2
 t2

2  VO 2  CPMCO 2  VCO 2  
 CPMO
0
0
  t2 . (13)
CPMCM  t2  
t2
t2
0
C


V

C

V

PMN 2
N2
PMH 2 O
H 2O 
0
0


t2
Для определения количества дополнительного
топлива воспользуемся известными данными:
удельная теплота сгорания дизельного топлива
qДТ = 42,7·106 Дж/кг;
4  2012
3
Раздел «Транспорт. Строительство»
где QДТ – количество теплоты, выделяемое
дополнительным топливом [3, 4].
Тогда количество дополнительного топлива
определяется из выражения:
G ДТ 
Q ДТ
q ДТ
.
(16)
Таким образом, на основании предложенной
методики, а также используя справочные и
экспериментальные данные, достигается решение
задач, поставленных в тепловом расчете термического
нейтрализатора отработавших газов энергетических
установок транспортной техники.
4  2012
4
Раздел «Транспорт. Строительство»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. 2-е изд., перераб. и доп. М.:
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 376с.
2. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1985.
3. Дьяков А.Б., Игнатьев Ю.В., Коншин Е.П. Экологическая безопасность транспортных потоков. М.: МАДИ, 1989. 128
с.
4. Ибатов М.К. Эксплуатационная безопасность карьерных автотранспортных средств: Монография. Караганда: Изд-во
КарГТУ, 2002. 177 с.
4  2012
5