Моделирование процессов испарения и смесеобразования в цилиндре тракторного дизеля при работе на этаноло-топливной эмульсии

Полный текст

Введение Существующее на сегодняшний день научно-техническое и технологическое состояние отечественного двигателестроения по экологическим и топливно-экономическим показателям в условиях рыночных отношений и ужесточения нормативов по ограничению вредного воздействия компонентов продуктов сгорания тракторных дизелей на окружающую среду заставляет тракторные и моторостроительные заводы коренным образом перестраивать свою техническую политику с учетом нормативных требований к экологии. Поэтому постоянно растет внимание к возможности замены стандартного моторного топлива тракторной техники альтернативным. Достаточное количество научной и популярной литературы посвящено альтернативным топливам. Причем большинство авторов [1-4] отмечают, что у альтернативных топлив есть потенциал как в сохранении нефтяных ресурсов, так и в уменьшении выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду. Одними из наиболее перспективных видов альтернативных топлив являются простейшие спирты, представителем которых является этанол. Цель исследования Этанол в молекулярном весе уступает нефтяным топливам, напоминает метанол по большинству характеристик сгорания и физических свойств (табл. 1), за исключением того, что он дает значительно более чистый выброс ОГ при сгорании, менее ядовитый и менее коррозионный. Кроме того, у этанола более высокая теплота сгорания. Этанол на современном этапе может производиться не только из пищевого сырья, но и из отходов сельскохозяйственной, химической, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленностей, в том числе разработаны технологии производства этанола из опилок, что существенно снижает затраты и удешевляет его себестоимость. Таблица 1 Физико-химические показатели этилового спирта Внешний вид Бесцветная прозрачная жидкость без нерастворимых примесей Плотность (при 20°С), г/см3 0,789 Температура вспышки, °С 13 Температура самовоспламенения, °С 404 Температура замерзания, °С -114,6 Температура кипения, °С 78,3 Внедрение топлив с содержанием этанола ставит задачу о необходимости моделирования процессов испарения, смесеобразования, горения в камере сгорания дизеля, что позволит значительно сократить время на разработку требуемого состава топлива и придания ему необходимых физико-химических свойств. Материалы и методы исследования В Вятской государственной сельскохозяйственной академии на базе кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов проведены исследования по переводу тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 для работы на этаноло-топливной эмульсии (ЭТЭ). Разработаны модели процессов испарения и смесеобразования в цилиндре тракторного дизеля при работе на ЭТЭ [1, 2]. Статья посвящена вопросам моделирования процессов испарения и смесеобразования в цилиндре тракторного дизеля 4Ч 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ при работе на этаноло-топливной эмульсии. Построенная модель учитывает особенности испарения и смесеобразования при распыле топлива и позволяет достаточно точно рассчитать их скорость. В зонах, где находится низкая концентрация капель, расчеты проведены для одной капли, а в зонах с большой концентрацией учтено взаимодействие между каплями при испарении и горении. С целью лучшего рассмотрения характера взаимодействия капель друг с другом и с окружающим турбулентным потоком газов весь процесс горения разделен на стадии: образование аэрозольных частиц, движение капель, их испарение, смешивание с окислителем, воспламенение и горение [4]. Также приняты следующие основные допущения [5-9]: · имеет место сферическая симметрия капель; · коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость постоянны и не зависят от температуры; · имеет место идентичность процессов переноса тепла и массы; · имеет место квазистационарность процесса. Результаты и их обсуждение В дизеле 4Ч 11,0/12,5 с камерой сгорания типа ЦНИДИ при работе на этаноло-топливной эмульсии имеет место объемно-пленочное смесеобразование с преобладанием испарения топлива до начала процесса горения. Испарение топлива зависит не только от динамики движения среды и температурных режимов, но и от характеристик впрыскивания и распыливания. Скорость движения и турбулизация смеси являются важными характеристиками. Поэтому вышеперечисленные параметры и определяют интенсивность испарения и смесеобразования. При испарении капель этаноло-топливной эмульсии и диффузии в окружающую паровоздушную среду происходит образование горючей смеси. При этом воспламеняется не само топливо, а его пары в смеси с воздухом. Ввиду особенностей горения ЭТЭ в камере сгорания дизеля процесс испарения был разделен на испарение до и во время воспламенения. Также было обусловлено, что теплота, необходимая для испарения топлива, подводится от стенок камеры сгорания. Поэтому процесс нагрева и испарения топлива связан с одновременным некоторым понижением температуры среды и для топлива, впрыскиваемого в последней фазе, происходит менее интенсивно. Химически реагирующая система в каждой точке пространства и в каждый момент времени может быть полностью описана, если известны законы изменения плотности, температуры, скорости потока и концентрации реагирующих компонентов. Изменения являются результатами конвекции, химических реакций, молекулярного переноса. Для составления модели необходимо учитывать все процессы. Для описания химически реагирующих систем в КС можно воспользоваться свойством сохранения отдельных параметров систем, к которым относятся энергия, масса и импульс. При высоких температурах окислительной среды перенос тепла и массы стефановским потоком, скорость которого равна выражению [5, 10, 11]: (1) где - массовая скорость испарения (горения) капли; - радиальная координата; - плотность газа. Уравнение теплопроводности имеет вид: (2) Уравнение диффузии для концентраций окислителя и паров записываются аналогично: (3) Эти уравнения записаны с учетом переноса теплоты и массы стефановским потоком (левая часть уравнений 2 и 3). Скорость реакции определим кинетическим уравнением второго порядка по выражению: (4) где - молярная масса, соответственно, паров и окислителя; - относительная массовая концентрации окислителя и паров; - удельная теплоемкость газа; - коэффициент диффузии окислителя и паров; q - тепловой эффект реакции на единицу массы окислителя; - скорость реакции, определяемая изменением массовой концентрации окислителя и паров, ; - коэффициент теплопроводности газа. Процесс дополним условиями. На поверхности капли г = гк; Т(г = гк) = Тк; концентрация паров является насыщенной и зависит от Тк по формуле Клаузиуса-Клапейрона: , (5) где - молярная масса воздуха (газа); - удельная теплота парообразования, Дж/кг; Мп - молярная масса паров, кг/моль; Tкнп - температура кипения жидкости; концентрация окислителя nок ок. На поверхности приведенной пленки r = rпл; T(r = rпл) = ; nг(r = rпл) = 0; nок(r = rпл)= nок,∞. При горении окислитель не доходит до поверхности капли nок,к = 0. Умножив уравнение (3) на q и сложив с (2), получим линейное уравнение, не содержащее Wок: (6) где Н = спТ + qnок - полная энтальпия окислителя. При получении выражения (6) предполагалось, что Д = г. Поток энтальпии на поверхности капли расходуется на ее парообразование. То есть граничное условие, позволяющее определить массовую скорость испарения, имеет вид: (7) Используя (7), из (6) имеем выражение для потока энтальпии через произвольную поверхность радиуса r: . (8) Учитывая граничные условия (r = rк, H = Hк и H = Hпл), разделяя переменные в (8) по r и H и интегрируя, получим: ; (9) . (10) Зависимость массовой скорости испарения (горения) от интенсивности конвекции (Nu), условий и физико-химических свойств, примет вид: . (11) ЕСЛИ температура газовой среды недостаточна для воспламенения, то в этом случае происходит испарение капли. Разность энтальпии окислителя для случая испарения определяется разностью температур среды Т∞ и капли Тк: . (12) При концентрации окислителя в среде и на поверхности капли равны. Тогда, используя связь массовой скорости испарения со скоростью изменения радиуса и квадрата диаметра капли (13) получим выражение для константы скорости испарения: , (14) где - константа скорости испарения, так как правая часть равенства слабо зависит от радиуса капли, который входит в Nu. Для неподвижной капли константа скорости испарения равна: . (15) То есть при температуре среды квадрат диаметра капли уменьшается в результате испарения со временем по линейной зависимости , (16) где dk0 - диаметр капли в момент времени t = 0. Закон линейного убывания поверхности капли с течением времени экспериментально был открыт Срезневским в 1982 году. Для случая горения разность энтальпий: . (17) При концентрации окислителя на поверхности капли =0, получим из (8) формулы для массовой скорости и константы скорости горения: ; (18) . (19) При горении температура капли близка к температуре кипения. Используя определение температуры горения: , (20) получим формулу: , (21) позволяющую оценить и проанализировать влияние условий и свойств на скорость горения капель J. С ростом температуры среды увеличивается , больше , поэтому скорость испарения (горения) увеличивается. Выводы Построенная модель применима к эмульгированным спиртосодержащим топливам, к которым относится ЭТЭ, учитывает особенности испарения и смесеобразования при распыле топлива и позволяет достаточно точно рассчитать их скорость.

Об авторах

В. А Лиханов

Вятская ГСХА

Email: nirs_vsaa@mail.ru
д.т.н.

О. П Лопатин

Вятская ГСХА

Email: nirs_vsaa@mail.ru
к.т.н.

А. И Чупраков

Марийский ГУ

Email: kafmeh@yandex.ru
к.т.н.

Г. С Юнусов

Марийский ГУ

Email: kafmeh@yandex.ru
д.т.н.

Список литературы

Дополнительные файлы