ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКСИЧНОСТИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ГОРЕЛКИ С КОМБИНИРОВАННЫМ ФОРМИРОВАНИЕМ ФАКЕЛА
Аннотация
Для расчета химического состава дымовых газов горелки на углеводородном топливе с комбинированным формированием факела предложен удобный и надежный алгоритм, основанный на методах математического программирования. Обеспечение устойчивости вычислительного процесса достигается использованием метода констант равновесия в целях снизить размерность системы определяющих уравнений при надлежащем выборе номенклатуры реагентов и базисных веществ. В модели рассматриваются двадцать два реагента, значительная доля которых токсичны, а базисными веществами выбраны СО, Н2,О2 и N2. Вычисление констант равновесия осуществляется на основании оригинальной аппроксимации температурной зависимости теплоемкости всех компонентов. Предложенная аппроксимация, в отличие от стандартных полиномиальных, не только дает физически обоснованные пределы в области низких и высоких температур, но и содержит вдвое меньше подгоночных параметров. Отработана методика расчета этих параметров по известным табличным значениям. Предварительное тестирование модели выполнялось для отдельных химических блоков (номенклатурных подмножеств) путем сравнения результатов расчета с данными, получаемыми при помощи химического калькулятора JANAF. Расчеты токсичности дымовых газов опытного горелочного устройства с формированием факела посредством электрической дуги и подачи перегретого пара выполнены в диапазоне рабочих параметров, расширенном по сравнению с предполагаемым эксплуатационным. Результат обобщен методами математического программирования с учетом взвешенной токсичности дымовых газов. Выполнена оценка погрешности формульного представления токсичности. Предложен интерполяционный алгоритм, позволяющий уточнить взвешенную токсичность дымовых газов во всем диапазоне сценарного моделирования. Результаты компьютерного моделирования сопоставлялись с данными технических испытаний опытной горелки: установлено их согласие в пределах множителя 2, что соответствует методической и приборной погрешности измерений. Полученные в вычислительном эксперименте результаты позволяют оптимизировать конструкцию и рабочие параметры инновационных горелочных устройств с комбинированным механизмом формирования факела. Расчетами показано и экспериментально подтверждено, что подача перегретого пара в зону горения гомогенизирует факел, выравнивает скорость окисления водорода и углерода в составе нефтяного топлива, чем сокращает выбросы продуктов неполного сгорания и оксидов азота. Разработка предлагается для использования в проектировании, технических испытаниях и доводке перспективных горелочных устройств на нефтяном, спиртовом и биотопливе
Список литературы
1. Anufriev I.S. Eksperimental'noe issledovanie protsessov pri szhiganii zhidkikh uglevodorodov v gorelochnykh ustroystvakh s podachey peregretogo vodyanogo para: diss. … d-ra tekhn. nauk [Experi-mental study of processes during combustion of liquid hydrocarbons in burner devices with the supply of superheated water vapor: dr. of eng. sc. diss.]. Novosibirsk, 2019, 254 p.
2. GOST 27824-2000. Gorelki promyshlennye na zhidkom toplive. Obshchie tekhnicheskie trebovaniya [GOST 27824-2000. Industrial burners on liquid fuel. General technical requirements]. Moscow: Izd-vo standartov, 2002, 12 p.
3. GOST R 57700.37-2021. Komp'yuternye modeli i modelirovanie. TSifrovye dvoyniki izdeliy [GOST R 57700.37-2021. Computer models and modeling. Digital twins of products]. Moscow: Izd-vo standar-tov, 2021, 11 p.
4. Fiziko-khimicheskoe modelirovanie na EVM [Physicochemical modeling on a computer]. Available at: https://studopedia.ru/ 5_119991_fiziko-himicheskoe-modelirovanie-na-evm.html.
5. Alemasov V.E., Tishin A.P., Dregalin A.F. Obshchiy matematicheskiy metod rascheta i issledovaniya goreniya pri vysokoy temperature [General mathematical method for calculating and studying combus-tion at high temperatures], Fizika goreniya i vzryva [Physics of Combustion and Explosion], 1971, Vol. 7, No. 1, pp. 77-84.
6. Belov G.V., Trusov B.G. Termodinamicheskoe modelirovanie khimicheski reagiruyushchikh system [Thermodynamic modeling of chemically reacting systems]. Moscow: Izd-vo MGTU im.
N.E. Baumana, 2013.
7. Belov G. On linear programming approach for the calculation of chemical equilibrium in complex ther-modynamic systems, J. Math. Сhem., 2010, Vol. 47, No. 1, Art. 446. Available at: https://doi.org/10.1007/s10910-009-9580-y.
8. Shchetinkov E.S. Fizika goreniya gazov [Physics of gas combustion]. Moscow: Nauka, 1965, 739 p.
9. Stepanov N.F., Erlykina M.E., Filippov G.G. Metody lineynoy algebry v fizicheskoy khimii [Methods of linear algebra in physical chemistry]. Moscow: Izd-vo MGU, 1976, 360 p.
10. Varnatts Yu., Maas U., Dibbl R. Gorenie: Fizicheskie i khimicheskie aspekty, modelirovanie, eksperi-menty, obrazovanie zagryaznyayushchikh veshchestv [Combustion: physical and chemical aspects, mod-eling, experiments, formation of pollutants]: transl. from engl. Moscow: Fizmatlit, 2003, 352 p.
11. Potapov A.V. Khimicheskoe ravnovesie mnogotemperaturnykh sistem [Chemical equilibrium of mul-titemperature systems], Teplofizika vysokikh temperature [High Temperature Thermophysics], 1966, Vol. 4, No. 1, pp. 55-58.
12. Petrusev A.S. Pereobuslavlivanie khimicheskikh istochnikov v uravneniyakh tipa diffuziya – kon-vektsiya – khimicheskaya kinetika [Preconditioning of chemical sources in diffusion-convection-chemical kinetics equations], Matematicheskoe modelirovanie [Mathematical Modeling], 2019,
Vol. 31, No. 5, pp. 56-68.
13. Son K.E. redutsirovanie polnoy sistemy uravneniy khimicheskoy kinetiki dlya techeniy mnogokompo-nentnykh vysokotemperaturnykh gazov na osnove metoda chastichnogo lokal'nogo ravnovesiya [Reduc-tion of the complete system of chemical kinetics equations for multicomponent high-temperature gas flows based on the partial local equilibrium method], Teplofizika vysokikh temperature [High Tempera-ture Thermal Physics], 2020, Vol. 58, No. 1, pp. 81-90.
14. Govorukhin V.N., Tsibulin V.G. Komp'yuter v matematicheskom issledovanii: Maple, MATLAB,
LaTeX: uchebnyy kurs [Computer in mathematical research: Maple, MATLAB, LaTeX: training course]. Saint Petersburg: "Piter", 2001, 642 p.
15. D'yakonov V.P. Mathcad 8-12 dlya studentov [Mathcad 8-12 for students]. Moscow: Solon-Press, 2005, 588 p.
16. Azimova N.N., Baranichenko V.V., Ladosha E.N. i dr. Algoritm vyyavleniya khimizma i vedushchie khimicheskie reaktsii v gorelkakh, ispol'zuyushchikh uglevodorodnye i spirtovye topliva [Algorithm for identifying chemistry and leading chemical reactions in burners using hydrocarbon and alcohol fuels], Navigator v mire nauki i obrazovaniya [Navigator in the world of science and education], 2023, No. 01 (58)'. Certificate of registration OFERNiO 25103 dated 02/28/2023.
17. Mascitti V.R. A simplified equilibrium hydrocarbon-air combustion gas model for use in air-breathing engine cycle computer programs, NASA TN D-4747, 1968, 47 p.
18. Stull D., Prophet H. JANAF Thermochemical Tables, second edition. National Institute of Standards and Technology, 1971, 1139 p.
19. Gordon S., McBride B.J. Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equi-librium Com-positions and Applications: I. Analysis, NASA Reference Publication 1311, 1994.
20. McBride B.J., Gordon S. Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compo-sitions and Applications: II. Users Manual and Program Description, NASA Reference Publication 1311, 1996.
