автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Гидродинамика и тепломассообмен в процессах горения и пиролиза

Российское акционерное общество энергетики и электрификации "ЕЭС РОССИИ" АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ОТКРЫТОГО ТИПА "ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.Г.М.КРЖИЖАНОВСКОГО"

(ЭНИН)

На правах рукописи

Плешанов Александр Сергеевич

ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛОМАССООБМЕН В ПРОЦЕССАХ ГОРЕНИЯ И ПИРОЛИЗА

(05.14.05 - Теоретические основы теплотехники )

Авторефер ат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москза, 1994 год

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Предпосылки постановки работы и актуальность темы.

Уровень общности современной теории горения ( монография /1/) достаточно высок. Тем не менее есть вопросы, которые до сих пор либо не получили полного решения (теория устойчивости ламинарного фронта пламени в безграничной среде), либо вообще не исследовались достаточно глубоко (гидродинамика и тепломассообмен в процессе пиролиза).

Данная работа в осноеном посвящена достаточно общему анализу этих двух вопросов. Поскольку горение и пиролиз являются важными в энергетике теплотехническими процессами, актуальность такого рода анализа представляется очевидной.

Целью работы явилось решение проблемы устойчивости ламинарного фронта пламени в безграничной среде, что из-за резкого несоответствия экспериментальных данных и теоретических представлений известно как пародокс Ландау, и построение гидродинамики и теории тепломассообмена процесса пиролиза.

Научная новизна работы заключается в том, что 1) парадокс Ландау, насколько можно судить по литературе, впервые решен для безграничной среды в достаточно полном объеме; 2) впервые на достаточно общем уровне построены гидродинамика и тепломассообмен для процесса пиролиза; 3) впервые исследовано влияние химических реакций на внутреннее сопротивление субстанций с разными скоростями; 4) произведена переформулировка гидродинамических уравйений многофазных систем; 5) перенос тепла и вещества длинноволновыми акустическими возмущениями в

движущихся неоднородных средах сравним с переносом тепла теплопроводностью и вещества - диффузией.

Практическая ценность работы заключается в конкретных рекомендациях по определению длин пиролизеров и температурных режимов, обеспечивающих извлечение заданной доли летучих. Кроме того выводы о вкладе длинноволновых акустических возмущений в перенос тепла и вещества могут быть полезны в исследованиях по интерпретации теплообмена в движущихся неоднородных средах.

Положения, выносимые на защиту:

1. Исследование влияния химических реакций на внутреннее сопротивление субстанций с разными скоростями и температурами.

2. Переформулировка гидродинамических уравнений многофазных систем в связи с зависимостью парциальных объемов фаз от координат и времени.

3. Общее решение линейной ( по амплитуде возмущений) объединенной задачи гидродинамической и диффузионно-тепловой устойчивости ламинарного фронта пламени в безграничной среде при произвольных критериях переноса и перепада плотностей.

4. Решение нелинейной задачи устойчивости фронта пламени.

5. Учет непрерывности потоков общих чисел атомов во фронте пламени в проблеме устойчивости фронта пламени.

6. Выводы о вкладах длинноволновых акустических возмущений в перенос тепла и вещества в движущихся неоднородных средах.

7. Объяснение экспериментальных данных об уменьшении устойчивости фронта пламени во внешнем электрическом поле в случае голых электродов.

8. Общая гидродинамическая теория изотермического пиролиза с учетом кинетики пиролиза, внутренней диффузионной и внешней гидродинамической задач.

9. Решение ряда задач теплообмена в рамках ячеечной модели.

10. Общий расчет изотермического и модельного неизотермического пиролиза с получением коэффициентов извлечения парциальных летучих.

11. Практические рекомендации по определению длин пиролизеров и температурных режимов, обеспечивающих извлечение заданной доли летучих.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, приложений и списков литературы. Объем работы 342 стр., включающих 300 стр. компьютерного текста, 42 рисунка, 9 таблиц, 3 приложения из 5 разделов на 40 стр., список работ автора из 17 наименований и список литературы из 78 наименований.

Апробация работы.

По материалам работы опубликовано 16 статей ( 1а-16а) и одна монография /17а/, в которой автору принадлежат части III и IV. Из 33 разделов работы не опубликованы всего 3 (1.5, 1.6 и ПЗ).

Материалы работы докладывались на семинарах институтов Химической физики им Н.Н.Семенова РАН и Проблем механики РАН, Всероссийского теплотехнического института РАО "ЕЭС РОССИИ", Энергетического института им.Г.М.Кржижановского РАО

б

"ЕЭС РОССИИ" и на Международном семинаре по структуре газофазных пламен (Новосибирск, 1986).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. ОБЩИЕ УРАВНЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ГИДРОДИНАМИКИ

Химические процессы, лежащие в основе горения и пиролиза, являются причиной макроскопического (гидродинамического) движения сплошной среды.

Нелинейные уравнения гидродинамики, имеющие вид законов сохранения массы, импульса и энергии, для системы в целом при соответствующем переопределении термодинамических величин при этом не меняются, однако аналогичные парциальные уравнения меняются из-за появления в них источниковых и обменных членов. При линеаризации парциальных уравнений возможно описание системы в целом единым линейным уравнением, порядок которого равен сумме порядков исходных парциальных уравнений. На этом уровне описания вводится понятие корреляции Между процессами одинаковой четности, т.е. удовлетворяющими принципу Кюри ( см., например, /2,3/). В данной главе исследуются различные виды описания системы уравнении гидродинамики реагирующих систем, включающей демпфирующие процессы тепломассообмена.

Сначала /1а/ рассматривается произвольная система субстанциональных ( парциальных) уравнений без учета вязкости и химических процессов в предположении, что каждая субстанция имеет свои значения скорости направленного движения и температуры. Вводятся коэффициенты трения и скалярного 6

теплообмена между субстанциями и производится их расчет для газа, частицы которого взаимодействуют по законам твердых шаров, Максвелла и Кулона. Показано, в частности, что малый отрыв электронной температуры от температуры тяжелых частиц в частично ионизованной плазме объясняется большими значениями коэффициента скалярного теплообмена между электронами и тяжелыми частицами.

Далее /2а/ на феноменологическом уровне исследуется влияние как неравновесных, так и равновесных химических реакций на коэффициенты трения между субстанциями с разными скоростями и температурами. Из уравнения возникновения энтропии системы в

целом следует, что это влияние приводит к увеличению

с

коэффициентов трения между исходными величинами и продуктами реакций.

Затем /За/ рассматривается линеаризованная система уравнений многокомпонентной гидродинамики с учетом теплопроводности и диффузии при химическом равновесии и вблизи него. Система описывает единые температурно-диффузионные волны. Получаются обобщенные уравнения теплопроводности и диффузии, эквивалентные исходной системе. Оказывается, что в химически равновесной не бинарной среде процесс распространения тепла (и вещества) определяется не только равновесными значениями теплоемкости и теплопроводности, но и коэффициентами диффузии в явном виде (для вещества - обратная ситуация). Физической причиной этого факта является необходимость удовлетворения уравнений непрерывности всех атомов данного сорта (свободных или входящих в молекулы ).

Далее /4а,5а/ исследуется подробно более простая ситуация одного неравновесного параметра. Рассмотрены некоторые решения

7

обобщенного уравнения теплопроводности и диффузии, аналогичного обобщенному волновому уравнению теории второй вязкости /4,5/. Для одного случая построены центрально-симметричные функции источника.

В рамках линеаризованного анализа /6а/, рассматривается тепломассообмен в химически реагирующих механически равновесных системах при наличии электрического поля. Оказывается, что описание химических процессов в таких системах может осуществляться в определенном смысле независимо от процессов тепломассопереноса. Физически это соответствует уменьшению корреляций в уравнении возникновения общей энтропии.

В заключение главы рассмотрены два аспекта общей теории применительно к полидисперсным системам.

Сначала показывается, что уравнение для функции распределения частиц по размерам и температурам ( помимо зависимости от времени, координат и скоростей ) инвариантно при переходе к аргументам : массы частиц, их импульсы и теплосодержания. Приводится пример точного общего решения уравнения для функции распределения в модельной ситуации движения полидисперсной системы.

Во втором аспекте дается обобщенная формулировка гидродинамических уравнений многофазных систем, именно: для правильного вида уравнения возникновения общей энтропии уравнения движения и энергии фаз должны быть дополнены определенными членами, учитывающими зависимость парциальных объемов фаз от координат и времени. С другой стороны необходимость введения таких членов диктуется несохранением

парциальных импульсов и энергий, что в свою очередь является следствием явной зависимости уравнений от координат и времени.

В приложении I /7а/ получены уравнения энергии для газообразных, жидких и твердых диэлектриков, при учете произвольной зависимости диэлектрической проницаемости от плотности и температуры. При выводе уравнений используется соотношение Гиббса и переопределяются все термодинамические величины на случай учета электрического и магнитного полей. В электрогидродинамическом приближении переопределяется также вектор потока энергии.

Глава II. ТЕОРИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ЛАМИНАРНОГО ФРОНТА

ПЛАМЕНИ

В рамках трактовки ламинарного фронта пламени как гидродинамического разрыва в идеальной несжимаемой среде в /6,7/ была показана абсолютная неустойчивость фронта пламени по отношению к малым длинноволновым периодическим возмущениям его формы. При этом в /4/ утверждалось, что учет диссипативных процессов, в частности, вязкости, "сам по себе не может привести к очень большому критическому значепию числа Рейнольдса Ке . Между тем экспериментальные данные свидетельствуют о том, что автотурбулизации пламени не происходит вплоть до очень больших значений Ие ". Возникшее противоречие известно как парадокс Ландау. Высказывалось предположение, что роль стабилизирующего фактора может играть зависимость нормальной скорости от кривизны фронта (Я.Б.Зельдович /4/, Д.Г.Маркштейн /4/). Имеются экспериментальные данные, подтверждающие такую зависимость /9,10/. Можно показать, что такого рода, зависимость эквивалентна

введению некоторого поверхностного натяжения -и, )5 , где при обозначениях /4/ 3=Х/и1- тепловая ширина фронта. Согласно /7,4/ учет с*, может приводить к стабилизации, носящей коротковолновый характер. С другой стороны учет только диффузионно-тепловой Природы пламени при невозмущенной гидродинамической картине течения в рамках приближенного анализа /11/ давал тенденцию к устойчивости. В дальнейшем результаты /11/ были обобщены в /12/ в рамках разложения по Ее"1 вблизи решения /7/ (учитывался член, пропорциональный Ие"1 ). Так как в /12/ невозмущенное состояние абсолютно неустойчиво ( как и в /7/ ), то малое отклонение от него не может перевести систему в область устойчивости.

Поскольку парадокс Ландау, заключающийся в расхождении критических значений Ие на три порядка ( согласно теории Не -1 , эксперимент дает Ке-Ю1), предыдущими работами не был разрешен в полном объеме для безграничного пламени (без учета стабилизирующего влияния стенок), было • предпринято данное исследование.

Сначала /8а/ в отличие ог /11/, где рассматривалось влияние на структуру и устойчивость фронта пламени значения Ье, было исследовано влияние числа Прандтля Рг . Найдены в первых двух приближениях (по квадрату числа Маха М2- ) решения уравнений гидродинамики с учетом химических реакций. Обнаружено, что в стационарном случае давление перед фронтом пламени возрастает при Рг > 1 или убывает при Рг < 1 . Отметим, что повышение давления перед фронтом пламени может быть источником возмущений.

Далее /9а/ было произведено обобщение постановки /11/ на случай наличия разрывов температуры Т и концентрации ведущего реагента с во фронте пламени. Получено точное решение задачи для 10

произвольных длин волн возмущения в отличие от длинноволнового решения /11/. Однако с принципиальной стороны результаты /9а/ не отличаются от /11/.

Затем /10а/ была исследована общая задача гидродинамической и диффузионно-тепловой устойчивости разделенных фронтов испарения жидкости и горения ее паров без учета взаимного влияния движения среды и распространения тепла. Система граничных условий на фронтах замыкается уравнениями к'четики испарения и горения. Из полученной замкнутой системы характеристических уравнений предельным длинноволновым переходом получается система уравнений гидро-тепловой задачи, для которой несущественны процессы переноса в промежуточной зоне. Показана дестабилизирующая роль процессов переноса в жидкости. Зону химической реакции в приближении Зельдовича (большие энергии активации) можно рассматривать как поверхность, на котрой непрерывны все величины (в том числе и касательные напряжения). И здесь критическое значение Ие несущественно отличается от /11/.

В последующих работах /11а-13а/ были сделаны три принципиальных шага, решивших парадокс Ландау для безграничной среды.

Сначала /11а/ на линейном уровне (по отношению амплитуды возмущения фронта к длине волны возмущения ) вместо разложения по Ее"1 /12/ вблизи абсолютно неустойчивого состояния /7/ используется разложение по относительному перепаду плотностей вблизи нейтрального состояния, каким является среда без пламени. Исследование объединенных гидродинамической и диффузионно-тепловой задач проводится в приближении Буссинеска при произвольных значениях Ъе, Рг, Не и любом перепаде плотностей.

П

Учтена зависимость нормальной скорости от кривизны фронта пламени. Анализ производится в комплексных плоскостях частоты-волновые числа. Суммирование рядов при большом перепаде плотностей осуществляется в обобщенном смысле. Для реальных значений энергий активации по-прежнему реализуется длинноволновая неустойчивость фронта пламени. Критическое значение теплового числа Рейнольдса (числа Пекле Ре ) по длине волны оказывается равным примерно 25.

Показано, что перенос тепла и вещества длинноволновыми акустическими возмущениями в движущихся неоднородных средах сравним с переносом тепла теплопроводностью и вещества -диффузией.

На следующем этапе / 12а/ исследование проводилось на нелинейном длинноволновом уровне. Методами теории возмущений и ортогональных проекций с учетом зависимости нормальной скорости фронта пламени от температуры и длинноволновой зависимости возмущения температуры от амплитуды фронта получены критические значения энергии активации на основной границе устойчивости. Показано, что при Ье < 1 , Ре ~ 10^ и безразмерной энергии активации Е - 10 устойчивость фронта достигается при амплитуде порядка длины волны.

И, наконец, /13а/ показано, что учет непрерывности потоков общих чисел атомов во фронте пламени повышает критическое значение Ре на основной границе устойчивости до величины ~102 . Вместе с нелинейным анализом при амплитуде фронта порядка длины волны возмущения Ре повышается до величины ~10л, что соответствует экспериментальным данным.

В приложении II рассмотрено влияние электрического и магнитного полей на устойчивость ламинарного фронта пламени. 12

В электрогидродинамическом приближении /14а/ выписываются уравнения и обсуждаются граничные условия задачи. Показано, что в длинноволновом приближении при типичных значениях параметров гидродинамическая и электрическая части задачи полностью разделены. Обсуждается частная ситуация режима тока насыщения и проводящей среды за фронтом пламени /13,14/. В длинноволновом приближении электрическое поле дестабилизирует фронт пламени. В согласии с экспериментальными данными /15/ показано /15а/, что ламинарный фронт пламени во внешнем электрическом поле менее устойчив в случае голых электродов, чем в случае их изоляции.

В магнитогидродинамическом приближении /16а/ в случае идеально проводящей среды показано, что магнитное поле, нормальное к фронту медленного горения, может его стабилизировать.

Глава III. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПИРОЛИЗА И ЕГО ГИДРОДИНАМИКИ /17а/

В энерготехнологическом использовании твердого дисперсного топлива ( в особенности, низкосортного) пиролиз, т.е. процесс термической деструкции твердого массива топлива без доступа окислителя (воздуха или чистого кислорода ), играет важную роль. Процесс деструкции приводит к образованию внутри частиц топлива летучих, которые под действием перепада внутреннего и внешнего (по отношению к частицам) давления диффундируют по порам частиц к их поверхности. Выделившиеся летучие движутся в межчастичном пространстве под действием перепада собственного давления в данной точке пиролизера и давления на его границе. Таким образом здесь

13

исходной причиной макроскопического (гидродинамического) движения является химический процесс деструкции.

Пиролиз твердого дисперсного топлива в среде такого же теплоносителя определяется следующими релаксационными процессами: 1) тепловая релаксация топлива; 2) химическая релаксация термической деструкции внутри частиц топлива;

3) диффузионная релаксация образующихся летучих внутри этих частиц (внутренние летучие) и поглощение выделившихся из частиц летучих (внешние летучие) другими частицами;

4) гидродинамическая релаксация потока внешних летучих, определяемая их трением о частицы, архимедовой силой и необратимыми процессами смешения внутренних и внешних летучих. Силой, определяющей гидродинамику процесса, является значительное превышение давления внутренних летучих над давлением внешних.

В такой общей постановке, судя по литературе, вопрос не ставился и тем более не решался, хотя некоторые аспекты проблемы (в основном тепловая релаксация и гидродинамическая релаксация в спуткых потоках ) рассматривались (см.,например, /4,16,17,18,19/)

В главах III и IV работы, по-видимому, впервые ставится общая проблема математического моделирования пиролиза и его гидродинамики (глава III ) и проводится численная реализация моделей тепломассообмена и гидродинамики пиролиза (глава IV). Содержание глав соответствует частям III и IV монографии /17а/.

В данной главе сначала указывается, что в достаточно общих предположениях общая задача математического описания процесса пиролиза сводится в итерациях к интегрированию системы из одного уравнения теплопроводности и одного уравнения диффузии. Получающееся уравнение общей энергии по сравнению с известным 14

уравнением Зельдовича-Франк-Каменецкого (см.»например, /4/) содержит добавочный член, смысл которого сводится к увеличению химического сопротивления.

Основная часть главы посвящена подробному исследованию концепции изотермического пиролиза и ее предельного случая. Введем времена релаксации: 'Х.^ - тепловой, Тс - химической, Т^ -диффузионной н - гидродинамической. Наибольшей из них

является макроскопическая величина • Концепция

изотермического пиролиза предполагает 'ц « Тс ^ ^ . Предельным случаем здесь является ситуация ^/18/.

Рассматривается предельный случай для модельной кинетики выхода летучих (сначала одного типа, а затем произвольного числа) по Кнудсену /20/ и при учете необратимых процессов смешения внутренних и внешних летучих и трения между внешними летучими и частицами. Уравнения энергии частиц и летучих не привлекаются ввиду условия изотермичности. Уравнение движения частиц заменяется условием постоянства их скорости. Поставленная задача является задачей Коши и в естественных предположениях решается точно до конца. Дополнительным ограничением работы пиролизера может быть условие, чтобы скорость истечения продуктов пиролиза на выходе аппарата не превышала скорости витания частиц.

Далее вместо модельной интегральной кинетики Кнудсена решается внутренняя диффузионная задача с краевым условием непрерывности давления летучих. Привлекая уравнение неразрывности внешних летучих и используя интеграл Дюамеля (см., непример, /21/), получаем из уравнения движения внешних летучих линейное интегро- дифференциальное уравнение Вольтерра (см.,например,/22/), которое точно решается операционным методом. При этом предполагается, что при значении координаты

15

\ъ\ = достигается равновесие. Устанавливается некоторая

эквивалентность двух постановок изотермического выхода летучих в шгролизере: 1) произвольное число фаз внутренних летучих с модельной кинетикой их выхода; 2) одна фаза внутренних летучих с корректным кинетическим уравнением.

Затем в общий анализ включается химическая кинетика пиролиза (сначала для одной реакции деструкции, а затем для их произвольного числа). При произвольном числе летучих рассматриваемая задача о пиролизе в противотоке (частицы движутся вниз, внешние летучие - вверх) является не задачей Коши, а краевой задачей, где часть условий задана при ъ — 0 , а другая часть -при |г| =оо . Производится обобщение на случай частиц с распределениями по размерам и внутренней порозности.

Далее осуществляется обобщение на случай гомогенного реагирования летучих внутри и вне частиц. При этом уравнение движения внешних летучих в силу 3-го закона Ньютона не содержит обменных членов за счет гомогенных химических процессов.

В заключение главы' дается общая схема расчета изотермического пиролиза в приближении регулярного режима, что соответствует модельной кинетике Кнудсена. Отмечается, что предположение о полном равновесии при |г| =оо приводит к

полному увлечению летучих частицами, т.е. к обращению в О скорости внешних летучих при некотором конечном значении координаты, что чрезвычайно усложняет расчет. Оказывается, что включение определенного малого поддува при |г| =«» в отсутствие объемных реакций существенно упрощает ситуацию. При этом состав продуктов пиролиза на выходе пиролизера совпадает с исходным составом пиролизируемых компонент в частицах. Этот- вывод имеет

общий характер и не зависит, в частности, от принятого здесь предположения об изотермичности процессов.

Глава IV ЧИСЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛЕЙ ТЕПЛООБМЕНА И ГИДРОДИНАМИКИ ПИРОЛИЗА /17а/

Теоретические представленния, изложенные в главе III, являются основой для численного описания процесса изотермического пиролиза. В реальных условиях для достаточно крупных частиц тепловая релаксация , которая ранее считалась быстрой, может быть заметной. В первых трех разделах этой главы исследуется тепловая релаксация одиночной частицы с оболочкой (ячеечная модель).

Упрощающие предположения, которые здесь могут быть приняты, таковы: 1) малость общего теплосодержания горючих частиц по сравнению с аналогичной величиной для теплоносителя (золы), что позволяет считать температуру золы Т2 постоянной; 2) малость тепловых эффектов термической деструкции внутри горючих частиц по сравнению с их максимальным теплосодержанием, что позволяет описывать процесс распространения тепла в частицах обычным уравнением теплопроводности; 3) совпадение локальных значений температур твердого массива частиц и внутренних летучих, что является условием внутренней изотермичности частиц; 4) деление объема частиц на зависящие от времени зоны отсутствия заметного пиролиза и изотермического пиролиза при Та или какой-то доли Т, , близкой к 1 .

Сначала исследуется теплообмен сферической частицы с температурно-однородной оболочкой и устанавливается, что

теплообмен определяется числом Нуссельта и отношением; интегральных те плоемкостей подсистем. Далее рассматривается перераспределение тепла в теплоизолированной сферической двухслойной частице. Показано, что время тепловой релаксации такой частицы обратно пропорционально отношению температуропроводностей ядра и оболочки. Обосновано приближение регулярного режима, начиная со значения безразмерного времени ~ 10 2 . В порядке обобщения анализа исследована двухслойная сферическая задача Стефана в приближении регулярного режима. Показано, что эта задача, моделирующая плавление, сушку, пиролиз и т.д., сводится к интегрированию системы двух дифференциальных уравнений в обыкновенных производных 1-го порядка с известными начальными условиями.

Расчет процесса пиролиза по тракту пиролизера начинается с его изотермического варианта. Для пиролизера достаточно большой длины с модельным условием поддува продуктов пиролиза на его конце получены распределения по длине пиролизера общих давлений внутренних и внешних летучих, а также скорости течения внешних летучих. В условиях существенно дозвукового течения изменение давления, как и следовало ожидать, ничтожно. В то же время в закрытых порах оно может достигать значений ~10э атм, что должно приводить к раскрытию пор, т.е. к увеличению порозности частиц, а также к их разбуханию и растрескиванию.

Далее обсуждаются граничные условия на концах пиролизера в трех постановках, из которых одна предельная дает максимальный выход летучих из пиролизера, а другая предельная - минимальный. Для пиролизера конечной длины 1 граничными условиями могут быть условия обращения в 0 парциальных потоков внешних летучих при |г| =1, что приводит к обращению в 0 скорости внешних 18

летучих при \г\ =>1. При устремлении отсоса к 0 получаем стабилизацию всех итерируемых величин. По существу использован вариант процедуры регуляризации некорректных задач по А.Н.Тихонову (см., например, /23/). Качество пиролизера определяется отношениями парциальных потоков внешних летучих к потокам потенциальных (в твердом массиве частиц) и внутренних летучих в начале пиролизера.

Затем в общую схему расчета включается нелинейный закон фильтрации Дарси, более корректный, чем концепция постоянного эффективного коэффициента диффузии. Использование этого закона приводит к запаздыванию выхода летучих, заметному при малых длинах пиролизера.

На заключительном этапе осуществляется модельный учет неизотермичности пиролиза, основанный на сильной аррениусовской зависимости скорости пиролиза от температуры и предполагающий деление объема частиц на зоны (см. выше ). Этот учет приводит к существенному отставанию выхода внутренних летучих и повышению их суммарного давления. Однако при этом искомые значения основных параметров внешних летучих в начале пиролизера для реальных значений его длины меняются слабо. Есть основания предполагать, что этот вывод остается корректным и при учете реальной неизотермичности. В этих расчетах были использованы начальные условия, предполагающие наличие в частицах при их поступлении в пиролизер только балластного газа.

В заключение остановимся на практических рекомендациях, которые следуют из полученных теоретических и расчетных результатов. Качество пиролизера определяется коэффициентами извлечения компонент е (0,1), которые вводятся в 4.5. Эти величины зависят от внешних факторов, какими являются расходы

топлива и теплоносителя, температура теплоносителя и длина пиролизера 1. При прочих равных условиях из расчетов можно извлечь зависимость р от 1, т.е. указать значения длин пиролизера, обеспечивающих извлечение заданной доли летучих от максимально возможного их количества. С другой стороны при заданной длине пиролизера можно указать уровень температуры, при котором достигаются заданные значения . Предполагается, что

кинетические параметры пиролиза (энергии активации Ек и предэкспоненты А к ) известны из независимых однократных экспериментов, так что необходимости в опытных исследованиях конкретных пиролизеров нет.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Наличие как равновесных так и неравновесных химических реакций между субстанциями с разными скоростями приводит к увеличению коэффициентов трения между исходными веществами и продуктами реакций.

2. Для правильного вида уравнения возникновения общей энтропии многофазной системы уравнения движения и энергии системы должны быть дополнены членами , учитывающими зависимость парциальных объемов фаз от координат и времени.

3. Общее решение линейной ( по амплитуде возмущений) объединенной задачи гидродинамической и диффузионно-тепловой устойчивости ламинарного фронта пламени в безграничной среде при произвольных критериях переноса и перепаде плотностей приводит к значению критического числа Пекле Ре » 25.

4. Аналогичное исследование на нелинейном уровне повышает Не до ~102 при амплитуде фронта порядка длины во лны. 20

5. Учет непрерывности потоков общих чисел атомов во фронте пламени повышает Ре тоже до ~102, что вместе с нелинейным анализом обеспечивает Ре ~10'э в согласии с экспериментальными данными.

G. Перенос тепла и вещества длинноволновыми акустическими возмущениями в движущихся неоднородных средах сравним с переносом тепла теплопроводностью и вещества -диффузией.

7. Дается объяснение экспериментальных данных об уменьшении устойчивости фронта пламепи во внешнем электрическом поле в случае голых электродов.

8. Построена общая гидродинамическая теория изотермического пиролиза, включающая кинетику пиролиза, решение внутренней диффузионной задачи и решение внешней задачи с учетом трения, архимедовой силы и необратимого процесса смешения внутренних и внешних летучих.

9. Решен ряд задач теплообмена двухслойных частиц, моделирующих перераспределение тепла между теплоносителем и частицами топлива.

10. Произведен общий расчет изотермического пиролиза' в пиролизерах бесконечной и конечных длин при учете всех перечисленных выше факторов и модельном краевом условии на конце пггролизера. Использована процедура регуляризации некорректных задач. Рассчитаны коэффициенты извлечения парциальных летучих.

11. Осуществлен модельный учет неизотермичности процесса пиролиза с использованием закона фильтрации Дарси и разными начальными условиями.

12. Практические рекомендации заключаются в указании длин пиролизеров и температурных режимов, обеспечивающих извлечение заданном доли летучих от максимально возможного их количества.

Кроме того выводы о вкладах длинноволновых акустических возмущений в перенос тепла и вещества могут быть полезны в исследованиях по интенсификации тепло- массообмена в движущихся неоднородных средах.

ЛИТЕРАТУРА (работы автора)

1а. Плешанов A.C. О неизотермической термодинамике необратимых процессов / Сб.:"Теплофизические свойства химически реагирующих систем". - М.: ЭНИН, 1980 с.100-107.

2а. Плешанов A.C. Влияние химических реакций на внутреннее сопротивление субстанций с разными скоростями и температурами / Сб.: "Физико-химические проблемы защиты воздушного бассейна от вредных выбросов тепловых электростанций". - М.: ЭНИН, 1988.- с.73-81: За. Плешаков A.C. Линейная нестационарная теплопроводность и диффузия газов при химическом равновесии и вблизи него / Сб.: "Физико-химические проблемы защиты воздушного бассейна от вредных выбросов тепловых электростанций". - М.: ЭНИН,1988.- с.172-179. 4а. Плешанов A.C. О релаксационной теории теплопроводности и диффузии // ТВТ.- 1976,т.14,N2. - с.307-311.

5а. Плешанов A.C. Излучение звука в неравновесной среде от плоской поверхности с периодически меняющейся температурой //ПМТФ.-1975, N3. - с.195-199.

Ва. Плешанов A.C. К общей теории тепломассобмена в химически реагирующих механически равновесных системах при наличии электрического поля в рамках термодинамики необратимых процессов // ПМТФ.- 1976, N5. - с.114-118.

7а. Вершинин Ю.Н., Плешанов A.C. К общим уравнениям пробоя конденсированных сред // Энергетика и транспорт.- 1987, N6. -с.75-81.

8а. Плешанов A.C. О структуре фронта пламени // ПМТФ.- 1963, N2. - с.169-172.

9а. Лазарев П.П., Плешанов A.C. К диффузионно-тепловой устойчивости ламинарного фронта пламени // ФГВ.- 1976, N4. -с.615-619.

10а. Плешанов A.C. К общему анализу устойчивости медленного горения жидкости // ФГВ.- 1979, N3. - с.32-40.

11а. Лазарев П.П., Плешанов A.C. Линейная устойчивость ламинарного фронта пламени // ФГВ.- 1980, N6. - с.45-53.

12а. Борисов В.И., Плешанов A.C. Нелинейная длинноволновая устойчивость ламинарного фронта пламени // ФГВ.- 1981, N4. -с.71-78.

13а. Лазарев П.П., Плешанов A.C. К анализу устойчивости ламинарного фронта пламени // Химическая физика.- 1986, т.5, N12. - с.1690-1695.

Лазарев П.П., Плешанов A.C. К общему анализу устойчивости ламинарного фронта пламени / Сб.:"Структура газофазных пламен". Международный семинар по структуре газофазных

пламен, Ч.И.- Новосибирск: СО АН СССР, ИТПМ,, 1988. - с.22£ 238.

14а. Лазарев П.П., Плешанов A.C. К длинноволновой устойчивост: ламинарного фронта пламени во внешнем электрическом пол // ФГВ.- 1979, N2. - с.28-35.

15а. Плешанов A.C. К длинноволновой устойчивости ламинарног фронта пламени во внешнем электрическом поле II / ФГВ,1986,N6,- с.63-65.

16а. Плешанов A.C. О гидродинамической устойчивости фронт медленного горения в магнитной гидродинамике при болыпи: Re // ФГВ.- 1971, N3. - с.379-383.

17а. Волков Э.П., Герасимов Г.Я., Плешанов A.C. Кинетика : гидродинамика пиролиза углей и сланцев (части III,IV). - М. ЭНИН, 1994. - 183с.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладз Г.М. Математическая теория горения и взрыва. - М.: Наукг 1980,- 478 с.

2. Де Гроот С., Мазур П. Неравновесная термодинамика. - M Мир, 1964. - 456 с.

3. Де Гроот С., Термодинамика необратимых процессов. - M Гостехиздат, 1956. - 250 с.

4. Ландау Л.Д.,Лифшиц Е.М. Гидродинамика. - М.: Наука,1986. 733с.

5. Мандельштам Л.И.,Леонтович М.А. К теории поглощения звук в жид костях // ЖЭТФ.- 1937, т.7, N3.- с.438-449.

6. Darrieus G. La Mecanique des fluides.- Paris : Dunod, 1941.

24

Ландау Л.Д. К теории медленного горения // ЖЭТФ.-1944, т.44, N6.- с.240-245.

I. Нестационарное распространение пламени / Сб.под ред. Маркштейна Д.Г.- М.: Мир, 1968.- 437 с.

). Пост В. Взрывы и горение в газах.- М.: ИЛ, 1952.- 687 с.

l0. Бабкин В.С., Кузнецов И.Л., Козаченко Л.С. Влияние кривизны на скорость распространения ламинарного фронта пламени в бедной пропано-воздушной смеси // ДАН СССР .- 1962, т.146, N3.- с.625-978.

II. Баренблатт Г.И.,Зельдович Я.Б..Истратов А.Г. О диффузионно-тепловой устойчивости ламинарного пламени // ПМТФ.-1962, N4.- с.21-24.

12. Истратов А.Г.,Либрович В.Б. О влиянии процессов переноса на устойчивость плоского фронта пламени // ПММ. -1966, т.30, N3.- с. 451-466.

13. Степанов Е.М., Дьячков С.Г. Ионизация в пламени и электрическое поле.- М.: Металлургия, 1968.- 314 с.

14. Лаутон Дж.,Вайнберг Ф. Электрические аспекты горения.- М.: Энергия, 1976.- 294 с.

15. Саламандра Г. Д. Распространение пламени в поперечном электрическом поле / Горение и взрыв,- М.: Наука, 1972.- 839 с.

16. Coy С. Гидродинамика многофазных систем.- М.: Мир, 1971.536 с.

17. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных систем,- М.: Наука, 1978.- 336 с.

18. Радованович М. Сжигание топлива в псевдосжиженном слое. -М .: Энергоатомиздат, 1990. - 246с.

19. Псевдоожижение / Сб. под ред. Дэвидсона И.Ф. и Харрисона Д. - М.: Химия, 1974. 724с.

20. Дельмон Б. Кинетика гетерогенных реакций.- М.: Мир,1972.-554 с.

21. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики,- М.: Гостехиздат, 1953. - 679с.

22. Курант Р..Гильберт Д. Методы математической физики ,т.1.-M.-JL: Гостехиздат, 1951,- 475 с.

23. Тихонов А.Н., Арсенин В.А. Методы решения некорректных задач.- М.: Наука, 1979.- 285 с.

I