Технические науки / 4. Транспорт

 

 

Д.т.н. Ибатов М.К., Пак И.А., Шалаев В.В., Шегай Е.Р., Аникин И.Ф.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Методика теплового расчета систем очистки

отработавших газов автомобильного транспорта

 

Конструктивные, функциональные и геометрические характеристики термических систем очистки (нейтрализации) отработавших газов (ОГ) автомобильного транспорта определяются на основе результатов предварительно проведенного теплового расчета.

Нами предлагается следующая методика теплового расчета термического нейтрализатора с теплообменником для карьерного транспорта.

Целью данного теплового расчета является определение: t2 - температуры подогрева в теплообменнике; t4 - температуры, до которой ОГ охлаждаются в том же теплообменнике; QS, - суммарного тепловыделения в реакционной зоне;  - количества теплоты, выделяемого при сгорании горючего компонента; определение на основе этих параметров расхода дополнительного топлива  соответственно режимам работы двигателя.

Количество тепла, переданного в теплообменнике поступающей газовой смеси, можно определить по формуле:

 ,                                        (1)

где    K     – коэффициент теплопередачи, ;

F     – поверхность теплообмена, м2 ;

          ∆tСР – эффективный температурный набор, 0С;

          G     – количество газовой смеси, кг/ч ;

          CР     – теплоемкость газовой смеси,  ;

          t2     – температура подогрева в теплообменнике, 0С ;

          t1     – температура свежей смеси, 0С .

 

Предполагая отсутствие потерь тепла и пренебрегая зависимостью СР от температуры, на основании теплового баланса имеем:

  ,                                                    (2)

где     - суммарное тепловыделение в реакционной зоне, кДж/ч ;

 t3  – температура окисления обезвреживаемых примесей, 0С ;

 t4  – температура, до которой охлаждаются отработавшие газы в теплообменнике, 0С .

Вследствие равенства разностей температур на "горячем" и "холодном" концах теплообменника (t4 - t1 = t3 - t2) эффективный температурный напор равен среднеарифметическому этих величин:

           .                   (3)

Таким образом, температурный напор теплообменника  при принятых допущениях равен разности температур в реакционной зоне и не зависит от поверхности теплообмена.

Из уравнений (1) и (3) следует:

                                                                 (4)

                                                       (5)

                                                          (6)

Эти соотношения иллюстрируют тот факт, что суммарное тепловыделение влияет не только непосредственно на конечную температуру продуктов реакции  t3 , но и на начальную температуру  t2  за счет изменения температурного напора теплообменника. Степень влияния на температуру  t2  определяется коэффициентом пропорциональности:

Из уравнений (4) и (5) легко получить следующее выражение для   N :

  ,                                       (7)

где    – степень регенерации.

В качестве характеристики регенератора примем степень регенерации .

Данные о содержании компонентов в отработавших газах получены по результатам проведенных нами промышленных испытаний нейтрализатора отработавших газов автосамосвалов БелАЗ-549.

Температура t1, с которой свежая смесь поступает в теплообменник, на холостом ходу двигателя равна 260 °С, на средних нагрузках – 450 °С и на максимальных нагрузках – 650 °С . Температуру, обеспечивающую достаточно полное окисление обезвреживаемых компонентов, принимаем равной 750 °С .

Таким образом из уравнения (7) находим температуру подогрева отработавших газов в теплообменнике  t2  :

                                          (8)

Из уравнения (2) определяем температуру, до которой охлаждаются отработавшие газы, проходя теплообменник:

                                                                   (9)

Значение суммарного тепловыделения в реакционной зоне можно найти из следующего выражения:

  ,                                                    (10)

где    - количество суммарного тепловыделения, кДж/ч ;

 – объем отработавших газов,  м3/ч ;

– теплоемкость при постоянном давлении, .

Для газовой смеси уравнение (10) преобразуется в следующее:

                                                 (11)   

Для t3 :

      (12)

где    СРМ – теплоемкость данного вида газа (справочные данные), ;

V     – объемная доля данного вида газа (экспериментальные данные).

Аналогично и для t2  :

      (13)

Для определения количества дополнительного топлива воспользуемся известными данными:

удельная теплота сгорания дизельного топлива   ; 

удельная теплота сгорания окиси углерода    .

Предварительно можно найти количество теплоты, которое выделяется при сгорании окиси углерода, зная его концентрацию в отработавших газах:

    ,                                                         (14)

где    Mсо – масса окиси углерода соответственно концентрации в отработавших

                    газах, кг.

Вычитая из общего количества теплоты, выделяемой в реакционной зоне, количество теплоты, которое выделилось при сгорании окиси углерода, находим то количество теплоты, которое должно выделиться при сгорании дополнительного топлива, т.е.

                      ,                                     (15) 

где  – количество теплоты, выделяемое дополнительным топливом.

Тогда, количество дополнительного топлива определяется из выражения:

                              .                                     (16)

Таким образом,  на основании предложенной методики, а, также используя справочные и экспериментальные данные, достигается решение задач, поставленных в тепловом расчете термического нейтрализатора отработавших газов автомобильного транспорта.