книги / Метанол как топливо для транспортных двигателей
..pdfРис. 4.12. Структура теплопотребления
реактором конверсии метанола в зави
симости от рабочей темпераоуры ката
лизатора
а,%
80 ■ $ндотертчесш теппота реакции
80
. Скрытая теплота го парооЗразо&ания
Нагреб
550 600 650 Тт .К
ков теплоты - на подогрев, испарение метанола и на компенсацию эндотермического теплового эффекта химической реакции, по следний составляет свыше 60%потребляемого тепла и отличается
наибольшим температурным потенциалом» Значения температурного пе репада отработавших газов, срабатываемого в реакторе, рассчитан ные при начальной температуре метанола 390 К, приведены в табл.
4.5. Из этих данных следует, что снижение рабочей температуры
катализатора в реально достижимых пределах не может заметно умень
шить срабатываемый теплоперепад отработавших газов, поскольку ос новные статьи расхода тепла приходятся на фазовое и химическое превращение метанола, однако может способствовать увеличению тем пературного напора и располагаемой теплоты отработавших газов,
т.е. той части теплоты, температурный уровень которой выше рабочей температуры реактора.
|
Таблица 4.5 |
Рабочая температура |
Температурный перепад, К |
катализатора, К |
430 |
370 |
|
470 |
450 |
470 |
т |
Рассмотрим рдц конструкций автомобильных реакторов. Посколь ку значительные потери теплоты из отработавших газов., особенно периферийных цилиндров, имеют место уже в коллекторной системе
выпуска, в ряде конструкций выполнено параллельное секционирова-
Рис. 4ЛЗ . |
Автомобильный реактор с параллельным |
секци |
||||||
|
|
онированием |
реакционных камер: 2et |
- 2d |
- |
|||
|
|
реакционные |
камеры; |
З а |
- 3 d |
- дроссель |
||
|
|
ные заслонки; 4 а |
- 4 d |
- клапаны управ |
||||
нне реактора, |
|
ления подачи'метанола |
|
|
|
|
||
т.е. разделение |
его в соответствии с числом цилинд |
|||||||
ров на несколько |
параллельно |
работающих малье: реакторов |
(рис.4.13 |
|||||
[ 15])..Этот |
конструкторский прием обеспечивает минимальную |
и |
||||||
одинаковую для всех цилиндров |
длину |
предреакториого |
участка |
вылу- |
| Воздух
рис. 4.14. Автомобильный реактор с размещением катализа-,
торного слоя вокруг выхлопных патрубков
Рис. 4 Л 5 . Реакционная камера с продольны?.! секционирова нием катализаторного слоя: Î - выпускной пат рубок ДВС; 2а - б х о д метанола; 2в - выход
продуктов конверсии; За - высокотемпературный катализатор; 3D - низкотемпературный катали
затор
скного патрубка. В выпускных патрубках установлены дроссельные
заслонки, |
управляющие потоками отработавших |
газов в соответствии |
с режимом |
работы двигателя. На режиме малых |
нагрубок и низких |
температур отработавшими газами всех цилиндров обогревается толь ко один из малых реакторов, а по мере увеличения нагрузки включа ются в работу остальные.
В другом варианте конструкции реактора, изображенном на рис. 4.14 [16], выпускные каналы отдельных цилиндров не сообща
ются между собой, что позволяет предотвратить потерю импульса выпускаемых из цилиндров газов и способствовать увеличению коэф фициента теплоотдачи. Отличительной особенностью рассматриваемого варианта конструкции является размещение катализатора вокруг вы пускного патрубка, что уменьшает тепловые потери из отработавших
газов и увеличивает температурный напор к катализатору.
Недостаток обеих конструкций заключается в ярко выраженно.4
"входном эффекте” - перегреве слоев катализатора, лежащих первыми по току отработавших газов. Отрицательное влияние "входного эф фекта” можно уменьшить'путем продольного секционирования реакци
онной камеры, как это показано на рис. 4.15 35[ ] Первая по току отработавших газов секция заполнена высокотемпературным катализа тором’, а последующая - низкотемпературным. Однако этому решению
присущи двр серьезных недостатка: сложности в эксплуатации, свя-
бильный реактор
с тепловыми акку
муляторами: I -
корпус; 2 - теп
лоизоляция; 3 -
катализатор; 4 -
тепловой аккуму
лятор
занные с неодинаковыми сроками регенерации или
замены катализаторов; выключение из работы высокотемпературного
катализаторного слоя на режимах малых нагрузок и низких темпера тур отработавших газов. Более целесообразным способом термической
защиты катализатора, к тому же повышающим его производительность
в условиях переменных нагрузок, является использование тепловых аккумуляторов [i ] . Автомобильный реактор, содержащий столбик из
пакетов катализатора, которые чередуются с пакетами теплоаккуму лирующих гранул, выполненных из высокотеплопроводного материала,
показан на рис. 4.16. Развитая поверхность тегуговых аккумуляторов обеспечивает высокую интенсивность теплообмена с отработавшими
газами и сглаживание температурных колебаний. Достигается это, однако, ценой существенного ухудшения габаритно-массовых характе ристик реактора.
Большими возможностями для интенсификации теплообмена и
сглаживания температурных пульсаций отработавших газоБ в'широком интервале нагрузок обладают тепловые трубы,или иначе трубы Пер кинса. В простейшем варианте тепловая труба представляет собой металлический гладкостенный герметически закрытый цилиндр, уста новленный вертикально или наклонно и примерно на10 %заполненный
жидким теплоносителем, которым может быть обыкновенная вода. Для переноса тепла используется явление фазового перехода жидкость - пар при нагревании теплоносителя у нижнего входного для тепла конца трубы и обратного перехода пар - жццкость на верхнем выход
ном конце. Тепловая труба |
обладает рядом уникальных свойств: |
за |
||||
данной |
и |
строго постоянной |
температурой входного конца, не зави |
|||
сящей |
от |
температуры источника |
тепла; малым |
температурным перепа |
||
дом и |
чрезвычайно высокой |
теплопроводностью |
между ‘входным, |
и вы |
||
ходным |
концами. |
|
|
|
теп |
|
Конструкция установки, реализующей описанный принцип |
||||||
лообмена |
[351,показана на |
рис. |
4.17. В головке цилиндров двигате |
|||
ля размещена специальная выхлопная камера I, в которую погружены |
||||||
оребренные входные концы тепловых труб2 . На вьослопной камере |
|
|||||
установлен каталитический |
насадок 3 реактора |
конверсии, в котором |
размещены выходные концы тепловых труб. Тепловой поток из отрабо тавших газов к катализатору движется преимущественно по трубам, поскольку тепловое .сопротивление здесь значительно меньшее, чем на поверхности контактирования выхлопной камеры с каталитическим насадком.Отметим, что тепловые трубы одновременно являются высо коемкими тепловыми аккумуляторами.^ Слабым местом рассматриваемого устройства явилась недостаточная интенсивность теплоотдачи от отработавших газов к тепловым трубам, ставшая причиной появления усложняющего конструкцию элемента - выхлопной камеры. В этой
связи значительный интерес вызывает возможность увеличения коэф
фициента теплоотдачи от отработавших газов способом контактного теплообмена в кипящем слое дисперсного теплоносителя. Для псевдо кипящего слоя твердых частиц, как и для тепловой трубы, характе
рны малый перепад температур мевду входом и выходом теплового по тока и аккумулирование тепла.
Авторами выполнено экспериментальное исследование контакт ного теплообмена на лабораторной установке, моделирующей условия работы автомобильного реактора [3 1 ] • Установка содержала тепло
обменник типа труба в трубе, схематически изображенный на рис.
Рис. 4Л 7 . Автомобильный реактор с тепловыми трубами
4.IÔ. Во внутренней трубе диаметром 20 мм и длиной 370 мм поме
щался каталитический насадок. Горячий воздух для обогрева подво
дился в нижнюю часть межтрубного пространства, а предварительно испаренный метанол - в соответствии с принципом противотока - в верхнюю часть внутренней трубы. Было выполнено две серии экспери ментов с термометрированием межтрубного пространства и каталиэа-
торного слоя. В первой серии теплоподвод осуществлялся, только горячим воздухом, во второй - горячим воздухом в кипетцем слое электрокорунда фракции 200 мкм. В обеих сериях поддерживались
неизменными |
объемная скорость метанола на катализаторе 450... |
|||
...490 |
ч“ *, |
максимальная температура катализатора |
550 К и |
темпе |
ратура |
горяч’егб воздуха на входе в теплообменник |
870...900 |
К. |
I Метанол
Ш2. W //Jé
3 |
к Я я * • |
|
|
It * Л |
|
do$âyx \ |
ТШ 7Ж |
|
|
о |
ID |
|
|
Рис* 4.18. Лабораторный |
реактор с |
подводом |
теплоты |
в |
|
кипящем |
слое |
инертного |
теплоносителя: Î |
- |
|
корпус; |
2 - сепараторы; |
3 - катализатор; |
|
||
4 - тороидальный распределитель; Б - темпе |
|||||
ратурный профиль катализаторного |
слоя; |
|
|||
6 - температурный профиль теплоносителя; |
|
-- - - - - теплоноситель - воздух;
-- - - - - - теплоноситель - порошок корунда
5 к \ г 5 /2 |
7 8 |
Рис. 4.19. Автомобильный реактор с контактным,
теплообменником |
|
|
|
||
В первой серии расход горячего воздуха составлял 0,5 нм3/ч, |
во |
||||
второй его потребовалось уменьшить на 20 |
чтобы сохранить |
неиз |
|||
менной максимальную |
температуру |
катализатора. |
Результаты термомет- |
||
рирования показывают |
(см. рис. |
4.18), что |
при |
подводе тепла |
кипя |
щим слоем дисперсного теплоносителя градиент температуры по высо
те межтрубного пространства существенно ниже, чем в случае подво да тепла потоком воздуха. Уменьшение перепада температуры по вы соте слоя катализатора* от 50 К до 25 К позволило увеличить отно сительную производительность реактора в ï,6 раза.
Конструкция трубчатого автомобильйого реактора, реализующая, контактный способ теплообмена, изображена на рис. 4 Л 9 f2] . Ре актор содержит корпус I, помещенный в теплоизолирующую.оболочку2
Рис. 4.20. Профили температур
по катализатору и кипящему слою теплоносителя. Режим:
Va = 15 км/ч;
Не » 3 %1^<г HÜM> |
Обозначения: |
О I • - катализатор о ниж
нем и верхнем ярусах трубок; Д , к - кипящий теплоноси
тель о местах входа и выхода
ОГ двигателя
с зазором, образующим вокруг корпуса кольцевую полость для прохода отработавших газов. Внутри корпуса ! расположены тепло
обменные трубы 3, заполненные катализатором 4 и образующие реак ционную камеру. Трубы 3 одним концом сообщаются с входным коллек тором 5 реактора, а другим - с его выходным коллектором6 . Вход ной коллектор через испарительную трубу 7, заполненную пористым
высокотеплопроводным материалом В, присоединяется-к топливному
насосу. Выходной коллектор реактора через топливовоздушный сме ситель 9 сообщается с впускными каналами Ï0 рабочих цилиндров И двигателя. Межтрубное пространство корпуса I разделено при помощи перегородок на секции по числу цилиндров двигателя. Каждая секция'
снабжена отверстиями для впуска отработавших газов. В отверстиях установлены сепараторы*12 для удержания дисперсного материала 13, частично заполняющего секции. К впускным отверстиям секций присо
единены каналы Î4 для выпуска отработавших газов из цилиндров двигателя.
Температурные характеристики экспериментального образца описанного реактора, имевшего объем реакционной камеры2 л, пред ставлены на рис. 4.20. Реактор был установлен на автомобиле с ра
бочим объемом двигателя 2,45 л. Испытания проводились на ролико-
.вом стенде в режиме установившегося движения автомобиля со скоро
стью 15 км/ч. Различие мезеду температурой греющего теплоносителя по секциям реактора вызвано цилиндровой неравномерность» работы двигателя и, отчасти, условиями теплоотдачи. Перепад температур катализатора в каздой из секций не превышал 25 К (за штрихованная зона на рис. 4.20). Производительность реактора на
этом режиме составила 1,63 кг/ч, что соответствует 60%потребно
сти двигателя в топливе.
Создание экономичного экологически чистого водородного дви
гателя, работающего ка продуктах конверсии метанола с термохими ческой системой регенерации тепла отработавших газов, является
технически решаемой задачей* Успех данной разработки в большой мере, будет зависеть от подбора эффективных катализаторов с повы шенной объемной скоростью и пониженной рабочей температурой; а
также от согласования характеристик реактора конверсии метанола и двигателя, особенно на режимах холодного пуска, ускорения, тор
можения и остановки*