超臨界碳?xì)淙剂现薪Y(jié)焦固體顆粒的沉積規(guī)律研究

(哈爾濱電氣國際工程有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150028)

碳?xì)淙剂显诶鋮s管道中結(jié)焦產(chǎn)生的焦炭顆粒是分子量比較大的烴類混合物[1]，其容易在流動的過程中粘附在冷卻管道上，不僅會導(dǎo)致冷卻效果降低，嚴(yán)重時還會堵塞冷卻管道，造成安全隱患。雖然碳?xì)淙剂霞瓤梢宰鳛橥七M(jìn)劑又可以作為冷卻劑，應(yīng)用在主動再生冷卻技術(shù)方面具有一定的發(fā)展前景，但碳?xì)淙剂显诟邷乩鋮s通道內(nèi)結(jié)焦以及焦炭顆粒的積聚和沉積問題是目前超燃沖壓發(fā)動機(jī)冷卻技術(shù)發(fā)展需要克服的主要難題[2]。在鍋爐尾部煙道以及鍋爐水平煙道受熱面上也會發(fā)生類似的飛灰沉積[3]，而爐渣和飛灰含碳量是構(gòu)成燃煤工業(yè)鍋爐主要熱損失的主要部分[4]。由此可見積碳沉積問題在各領(lǐng)域內(nèi)造成的影響十分惡劣。所以，研究碳?xì)淙剂显诶鋮s通道內(nèi)的流動特性和結(jié)焦產(chǎn)生的焦炭顆粒的輸運、沉積特性就顯得尤為重要。碳沉積是碳?xì)淙剂献鳛闊岢潦褂帽仨毥鉀Q的問題[5]，迄今為止，人們對結(jié)焦過程和機(jī)理的認(rèn)識理解并不深入。國外研究學(xué)者Doungthip[6]等人對不同壓強(qiáng)下的碳?xì)淙剂线M(jìn)行裂解結(jié)焦實驗。實驗結(jié)果表明，焦炭的沉積量與實驗管路的壓強(qiáng)有關(guān)，冷卻管路中的壓強(qiáng)差越大，焦炭的沉積現(xiàn)象越明顯。Gascoin[7]等人在固定的實驗溫度下，分別在不同壓強(qiáng)，不同質(zhì)量流量，不同管道材料的實驗條件下，對十二烷進(jìn)行了裂解結(jié)焦實驗。發(fā)現(xiàn)施加在流體上的熱通量有利于焦炭的形成，停留時間，流體壓力，測試的長度和測試期間使用的碳?xì)浠衔锏牧?，反?yīng)器的催化效果等因素對焦炭的形成和沉積都有較大影響。國內(nèi)研究學(xué)者謝文杰[8]對JP-10進(jìn)行裂解結(jié)焦實驗，通過分析結(jié)焦樣品，得出以下結(jié)論：顆粒狀的結(jié)焦顆粒的直徑一般在500 nm以上，部分顆粒的直徑可以達(dá)到幾個微米而且結(jié)焦顆粒全都沒有固定的形狀。謝文杰[9]等人對正庚烷在超臨界條件下進(jìn)行裂解實驗，得出在不同溫度和流動速率時，碳?xì)淙剂狭呀饨Y(jié)焦量的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)隨著溫度降低，裂解反應(yīng)變?nèi)?，結(jié)焦量減少。金迪[10]等人研究發(fā)現(xiàn)，碳?xì)淙剂显诒诿娼?jīng)過氧化的冷卻管道中的結(jié)焦量會大大降低。由于結(jié)焦顆粒在冷卻通道內(nèi)沉積的影響因素十分復(fù)雜，包括結(jié)焦顆粒之間的碰撞、粘附、聚合，結(jié)焦顆粒之間的化學(xué)反應(yīng)，結(jié)焦顆粒和壁面的碰撞、吸附等因素，但是這些因素的影響規(guī)律難以捉摸，研究起來十分復(fù)雜[11]。所以，本文將在不考慮結(jié)焦顆粒之間相互作用的前提下初步研究結(jié)焦顆粒在冷卻管路內(nèi)積聚的影響因素。通過數(shù)值模擬，研究冷卻通道結(jié)構(gòu)，壁面粗糙度，燃料質(zhì)量流量，燃料溫度，結(jié)焦顆粒直徑等因素對結(jié)焦顆粒沉積的影響。通過實驗探究冷卻通道結(jié)構(gòu)對結(jié)焦顆粒沉積的影響。

對比分析在相同孔板參數(shù)條件下仿真結(jié)論與實驗研究結(jié)果，尋找普遍規(guī)律，為今后深入研究碳?xì)淙剂狭呀饨Y(jié)焦特性以及結(jié)焦顆粒的沉積特性提供指導(dǎo)性建議。

1 超臨界碳?xì)淙剂现幸汗虄上囫詈舷陆Y(jié)焦顆粒沉積的數(shù)值模擬

1.1 液固兩相流模型的建立

采用SSTk-ω混合模型對流體相進(jìn)行數(shù)值模擬。SSTk-ω模型將混合功能和雙模型加在一起。混合功能是為近壁區(qū)域設(shè)計的，在近壁面處使用k-ω模型，而在邊界層外采用k-ε模型，這樣可以使模擬效果更加精確[12]。采用歐拉-拉格朗日離散顆粒模型對液固兩相流進(jìn)行模擬。

顆粒相得控制方程為

(1)

液體相得控制方程為

連續(xù)方程

(2)

動量守恒方程

(3)

式中εl——流體體積分?jǐn)?shù);

ρl——流體相密度/kg·m-3;

vl——流體相速度/m·s-1;

g——重力加速度/m·s-2;

Sl——流體相應(yīng)力張量/N;

Isl——顆粒和液相間的動量傳遞項/(kg·m)·s-1。

流體相應(yīng)力張量

Sl=-PlI+τl

(4)

式中I——單位張量；

τl——液相的粘性應(yīng)力張量。

液相的粘性應(yīng)力張量其表達(dá)式為

τl=2εlμlDl+εlλltr(Dl)

(5)

式中Dl——流體相應(yīng)變率張量。

(6)

模型邊界條件如表1所示，模型的主要參數(shù)設(shè)置如表2所示，顆粒相的主要參數(shù)如表3所示。

表1模型邊界條件

邊界邊界類型左壁面質(zhì)量入口右壁面壓力出口上壁面及孔板壁面無滑移壁面

表2模型主要參數(shù)

物理量數(shù)值管徑/mm2管長/mm41重力加速度0燃料入口流量/kg·s-10.003燃料入口溫度/K700燃料出口壓力/MPa3湍動強(qiáng)度/[%]5水力直徑/mm2最大迭代次數(shù)107

表3顆粒相主要計算參數(shù)

物理量數(shù)值顆粒密度/kg·m-32000入口顆粒溫度/K700入口顆粒速度/m·s-17.58質(zhì)量流量/kg·s-110-10顆粒直徑/mm0.001顆粒噴入時間/s0停止噴入時間/s1

1.2 不同因素對結(jié)焦顆粒沉積的影響

(1)冷卻管道結(jié)構(gòu)對顆粒沉積的影響

邊界條件設(shè)置和計算模型如前文所述，模擬時采用5種管路結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)1冷卻通道無孔板，結(jié)構(gòu)2冷卻通道帶有直角突縮-直角突擴(kuò)形孔板，結(jié)構(gòu)3冷卻通道帶有斜角漸縮-直角突擴(kuò)形孔板，結(jié)構(gòu)4冷卻通道帶有直角突縮-斜角漸擴(kuò)形孔板，結(jié)構(gòu)5冷卻通道帶有斜角漸縮-斜角漸擴(kuò)形孔板。)，各結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)時流體入口速度設(shè)置見表4。

圖1 模擬管段的二維幾何圖形

表4不同管路結(jié)構(gòu)中穩(wěn)態(tài)時流體入口速度

冷卻管路結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)時流體入口速度/m·s-1結(jié)構(gòu)18.42結(jié)構(gòu)27.58結(jié)構(gòu)37.74結(jié)構(gòu)47.49結(jié)構(gòu)57.62

不同冷卻管路結(jié)構(gòu)中，結(jié)焦固體顆粒在冷卻管路中的積聚情況如圖2所示。

圖2 管路內(nèi)顆粒積聚情況

分析圖2得出結(jié)論：在超臨界碳?xì)淙剂现?，結(jié)焦固體顆粒在冷卻通道的孔板附近容易發(fā)生沉積，且沉積的程度和孔板的形狀有關(guān)。結(jié)焦顆粒在帶有圓柱形孔板結(jié)構(gòu)的冷卻管路中的沉積現(xiàn)象比在帶有斜角漸縮、斜角漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)孔板的冷卻通道中的沉積現(xiàn)象嚴(yán)重。所以在實際發(fā)動機(jī)的冷卻通道中建議使用漸變形的孔板，以此來改善顆粒在孔板附近的沉積現(xiàn)象。

(2)冷卻管道壁面粗糙度對顆粒沉積的影響

該部分研究以結(jié)構(gòu)2管路為例，邊界條件設(shè)置和計算模型如前文所述。分別模擬了冷卻管道壁面粗糙度分別為0 mm、0.001 mm、0.002 mm、0.003 mm時，0.5 s時壁面2(節(jié)流孔板前方與冷卻管路交界的軸肩)處結(jié)焦顆粒的沉積率，如圖3所示。

分析圖3得出結(jié)論：在靠近主流區(qū)的地方，壁面粗糙度對結(jié)焦顆粒的沉積影響不大。但是在靠近冷卻管道上壁面處，壁面越粗糙，顆粒在壁面2處的沉積率越小。

(3)結(jié)焦顆粒直徑對顆粒沉積的影響

該部分研究以結(jié)構(gòu)2管路為例，邊界條件設(shè)置和計算模型如前文所述，結(jié)焦顆粒直徑分別為D=0.001 mm，D=0.002 mm，D=0.003 mm，0.5 s時壁面2處結(jié)焦顆粒沉積率如圖4所示。

圖3 不同粗糙度時壁面2處顆粒沉積率

圖4 不同結(jié)焦顆粒直徑時壁面2處顆粒沉積率

分析圖4得出結(jié)論：隨著顆粒直徑變大，顆粒在壁面處的沉積率變大。這是由于單位質(zhì)量曳力隨著顆粒直徑的變大，曳力變小，顆粒直徑變大，慣性力也會變大，重力也會變大，但是由于曳力的變化程度比其他力程度大，所以在孔板壁面處的沉積率也會變大。由此可以得出以下結(jié)論：隨著顆粒直徑的變大，結(jié)焦顆粒在孔板前方與管路交界的軸肩處的沉積率會變大。

(4)液相燃料質(zhì)量流量對顆粒沉積的影響

該部分研究以結(jié)構(gòu)2管路為例，邊界條件設(shè)置和計算模型如前文所述。液相燃料質(zhì)量流量分別設(shè)為Q=0.002 kg/s，Q=0.003 kg/s，Q=0.004 kg/s，Q=0.006 kg/s，0.5 s時壁面2處結(jié)焦顆粒的沉積率如圖5所示。

圖5 不同液相燃料質(zhì)量流量時壁面2處顆粒沉積率

分析圖5得出結(jié)論：在靠近主流區(qū)的地方，燃料的質(zhì)量流量對結(jié)焦顆粒的沉積影響不大。但是在靠近冷卻管道上壁面處，燃料質(zhì)量流量越大，顆粒在壁面2處的沉積率越小，與燃料在冷卻管路中的積聚趨勢一致。燃料質(zhì)量流量越大，平均流速越大，結(jié)焦顆粒在管路中流動的時間越短，越不容易沉積。

(5)液相燃料溫度對顆粒沉積的影響

該部分研究以結(jié)構(gòu)2管路為例，邊界條件設(shè)置和計算模型如前文所述。液相燃料溫度分別為T=620 K，T=650 K，T=700 K，T=800 K，0.5 s時壁面2處結(jié)焦顆粒的沉積率如圖6所示。

圖6 不同液相燃料溫度時壁面2處顆粒沉積率

分析圖6得出結(jié)論：在靠近主流區(qū)的地方，固體顆粒在壁面2處的沉積率幾乎為零，但是顆粒在孔板入口處，隨著溫度的升高，沉積率變小。在靠近冷卻管道上壁面處，結(jié)焦固體顆粒在壁面2處有明顯的沉積率，但是在臨界溫度(Tc=617.7 K)附近，即T=620 K和T=630 K時，結(jié)焦顆粒在近壁面處沉積率接近于零且和高溫情況(T=700 K，T=800 K)時，顆粒沉積率趨勢不同，這是因為臨界點附近，燃料的物性很不穩(wěn)定，但是溫度對顆粒在壁面2處沉積率的影響并不顯著。當(dāng)T=600 K時，結(jié)焦顆粒在壁面2處沉積率的變化趨勢明顯不同于其他設(shè)置溫度，這是因為正癸烷的臨界溫度Tc=617.7 K，T=600 K時，正癸烷只是處于超臨界壓力狀態(tài)，所以在臨界溫度前后正癸烷在壁面2處的沉積規(guī)律明顯不同，與實際物理機(jī)制吻合。

2 超臨界碳?xì)淙剂现薪Y(jié)焦固體顆粒沉積規(guī)律的實驗研究

2.1 實驗臺簡介

超臨界碳?xì)淙剂现薪Y(jié)焦固體顆粒沉積實驗臺的布局圖如圖7所示。圖8為實驗管路圖。實驗臺主要是由燃油供給系統(tǒng)、氮氣吹除系統(tǒng)、直流電加熱系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、背壓系統(tǒng)組成。

圖7 正癸烷高溫裂解實驗布局圖

圖8 實驗管路圖

實驗前必須對實驗管路進(jìn)行氮氣吹除，目的是排除實驗管路內(nèi)的空氣。除此之外，為了保證實驗的安全性，在實驗開始之前，還要對整個實驗管路進(jìn)行氣密性檢查。實驗開始后，燃油從油箱中被泵入實驗管路，經(jīng)過加熱段加熱后再經(jīng)過冷凝系統(tǒng)流入儲油罐中。實驗結(jié)束后，仍然需要對整個實驗管路進(jìn)行氮氣吹除，此次吹除的目的是將實驗管路內(nèi)殘留的燃油排除。

本實驗對實驗管路中的碳?xì)淙剂线M(jìn)行加熱，使其裂解結(jié)焦，產(chǎn)生的結(jié)焦顆粒會隨著高溫燃料一起流動。隨著實驗時間的延長，結(jié)焦固體顆粒會在實驗管路后端的一級孔板附近沉積。所以本章主要觀測結(jié)焦固體顆粒在不同結(jié)構(gòu)的一級孔板處的沉積規(guī)律。

2.2 實驗結(jié)果與分析

針對結(jié)構(gòu)2管路和結(jié)構(gòu)4管路中的兩種不同結(jié)構(gòu)的節(jié)流孔板對結(jié)焦顆粒沉積規(guī)律的影響進(jìn)行實驗探究，其中孔板參數(shù)與模擬參數(shù)一致。首先對碳?xì)淙剂线M(jìn)行加熱，加熱一段時間后，將實驗設(shè)備中的一級孔板拆除。圖9為結(jié)構(gòu)2管路中的孔板示意圖(直角突縮-直角突擴(kuò)形孔板)，圖10為結(jié)構(gòu)4管路中的孔板示意圖(直角突縮-斜角漸擴(kuò)形孔板)。

圖9 結(jié)構(gòu)2管路中的一級孔板示意圖

圖10 結(jié)構(gòu)4管路中的一級孔板示意圖

實驗后結(jié)構(gòu)2管路中孔板前后兩個端面放大圖和結(jié)構(gòu)4管路中孔板前后兩個端面的放大圖如圖11和圖12所示。

圖11 結(jié)構(gòu)2管路中孔板前后兩端面放大圖

圖12 結(jié)構(gòu)4管路中孔板前后兩端面放大圖

從實驗后的結(jié)構(gòu)2管路和結(jié)構(gòu)4管路中孔板前后兩端面放大圖中可以發(fā)現(xiàn)以下共同點：

(1)這兩種形狀的節(jié)流孔板的孔徑處都沒有結(jié)焦顆粒沉積，這是由于碳?xì)淙剂显诳装逄幃a(chǎn)生節(jié)流現(xiàn)象，在此處流體的速度比較大，即使產(chǎn)生結(jié)焦顆粒，也會被高速流動的液體沖走。在孔板與冷卻通道交界處存在結(jié)焦顆粒沉積，而且沉積現(xiàn)象比較明顯。

(2)在靠近冷卻管路壁面處結(jié)焦顆粒的沉積比靠近主流區(qū)結(jié)焦顆粒的沉積嚴(yán)重。在數(shù)值模擬中，結(jié)焦顆粒同樣也是在孔板與管路交界處積聚嚴(yán)重，而且靠近冷卻管路壁面位置的沉積比較嚴(yán)重，說明數(shù)值模擬結(jié)果與實驗吻合良好。

(3)結(jié)焦顆粒在孔板與冷卻管路交界的后方沉積比前方沉積嚴(yán)重，是因為高溫流體在孔板后方存在明顯的回流區(qū)域，流體在回流區(qū)域內(nèi)一直做回旋運動，不能被主流燃料及時帶走的結(jié)焦顆粒在此處停留的時間顯著增加，導(dǎo)致顆粒在此處沉積嚴(yán)重，與數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好。

從圖11和圖12中可以明顯看出，結(jié)焦固體顆粒在結(jié)構(gòu)2冷卻管路中的沉積比在結(jié)構(gòu)4冷卻管路中的沉積嚴(yán)重。結(jié)構(gòu)2管路中所使用的是圓柱形孔板，帶有結(jié)焦顆粒的高溫流體在此處先經(jīng)過直角突縮結(jié)構(gòu)再經(jīng)過直角突擴(kuò)結(jié)構(gòu)后流入冷卻系統(tǒng)。而結(jié)構(gòu)4管路中所使用的是漸擴(kuò)形孔板，帶有結(jié)焦顆粒的高溫流體在此處先經(jīng)過直角突縮結(jié)構(gòu)再經(jīng)過斜角漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)后流入冷卻系統(tǒng)。與前文模擬部分對比可知，流體在節(jié)流孔板后方存在明顯的回流現(xiàn)象，且在相同截面處，流體在圓柱形孔板中的回流速度最小，所以結(jié)焦固體顆粒在結(jié)構(gòu)2管路孔板附近的沉積比在結(jié)構(gòu)4管路孔板附近的沉積嚴(yán)重。結(jié)焦固體顆粒在不同結(jié)構(gòu)孔板處的沉積規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好。

由于在拆卸節(jié)流孔板的過程中，不可避免地會破壞結(jié)焦顆粒在孔板處的沉積，所以本實驗中的誤差比較大。但是盡管如此，還能夠很明顯地觀察到結(jié)焦顆粒在節(jié)流孔板處的沉積趨勢。

3 結(jié)論

主要從數(shù)值模擬和實驗研究兩個方面來探索超臨界碳?xì)淙剂显诶鋮s管路中的流動特性和焦炭顆粒的沉積規(guī)律。研究了冷卻管路結(jié)構(gòu)、冷卻管道壁面粗糙度、結(jié)焦顆粒直徑、燃料質(zhì)量流量和燃料溫度對結(jié)焦顆粒在節(jié)流孔板附近沉積的影響，并且對碳?xì)淙剂现薪Y(jié)焦固體顆粒的沉積規(guī)律進(jìn)行了實驗探究。通過數(shù)值模擬和實驗研究，得出以下結(jié)論：

(1)在超臨界碳?xì)淙剂现?，結(jié)焦固體顆粒在冷卻通道的孔板附近容易發(fā)生沉積，且沉積的程度和孔板的形狀有關(guān)。結(jié)焦顆粒在帶有圓柱形孔板結(jié)構(gòu)的冷卻管路中的沉積現(xiàn)象比在帶有漸變形孔板結(jié)構(gòu)的冷卻管路中的沉積現(xiàn)象明顯。

(2)冷卻管道的壁面粗糙度對結(jié)焦顆粒的沉積有較大影響。壁面越粗糙，結(jié)焦顆粒在孔板附近的積聚現(xiàn)象越弱。

(3)結(jié)焦顆粒的直徑對顆粒在冷卻管路中的沉積有較大影響。結(jié)焦顆粒直徑越大，顆粒在孔板與管路交界前方的積聚程度比后方的積聚程度嚴(yán)重，即在孔板前方與壁面發(fā)生碰撞的可能性越大，在壁面處沉積的可能性越大。

(4)液相燃料的質(zhì)量流量對結(jié)焦顆粒的沉積有較大影響。隨著流體質(zhì)量流量的增加，流體的平均流速越大，顆粒在管路內(nèi)存在的時間就越短，沉積現(xiàn)象越弱。

(5)液相燃料的溫度對結(jié)焦顆粒的沉積有較大影響，且比較復(fù)雜。隨著流體入口溫度的升高，結(jié)焦固體顆粒在冷卻通道中節(jié)流孔板附近的積聚現(xiàn)象減弱，即在壁面處越不容易沉積。

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