Д.т.н. Ибатов М.К., Пак И.А.

Карагандинский государственный

технический университет, Казахстан

Результаты моделирования процессов газодинамики в системах очистки выхлопа транспортных средств

В настоящее время усилиями многих научных коллективов в направлении совершенствования систем очистки выхлопа транспортных средств достигнуты важные научные и практические результаты. Вместе с тем недостаточно исследованными являются вопросы протекания газодинамических процессов в реакторах каталитических систем очистки выхлопных газов, которые существенно влияют на эффективность процесса нейтрализации токсичных компонентов выхлопа, величину газодинамического сопротивления в системе выпуска газов, снижение мощности двигателей и другие показатели.

Нами на основе положений теории механики неоднородных сред разработана математическая модель взаимодействия потока выхлопных газов карьерных автотранспортных средств с гранулами катализатора, работающего во взвешенном состоянии, которая была реализована методом конечных разностей. Численное моделирование газодинамических процессов в реакторах каталитических нейтрализаторов (КН) осуществлялось с помощью программного обеспечения.

Для определения эффективности работы катализатора в реакторе КН необходимо знать параметры газа и гранул катализатора внутри реакционной зоны при различных режимах газа на входе в реактор. Такими параметрами могут быть давление, плотность, скорость газа, а также осредненные по объему реактора плотность распределения гранул, их скорость и порозность.

В качестве режимных параметров на входе в реактор можно принять давление и скорость газа, а также порозность слоя катализатора в начальный момент. Исходными данными являются также геометрические размеры самого реактора.

Для проведения численного моделирования газодинамических процессов в реакторе нейтрализатора была принята классическая схема работы каталитических нейтрализаторов, когда отработавшие газы пропускаются через реакционную зону, заполненную гранулированным катализатором. В этой упрощенной схеме геометрическими характеристиками реактора КН являются длина и высота , определяющие размеры гранулированного слоя катализатора.

В данной работе приводится анализ изменения параметров газа и гранул катализатора внутри реактора КН в зависимости от режима подачи газа в реактор. При этом разработанное программное обеспечение на этапе задания исходных параметров численного моделирования предоставляет возможность неограниченного варьирования не только режимными параметрами газа на входе в реакционную зону, но и геометрическими формой и размерами реактора КН.

В результате численного моделирования был получен целый ряд зависимостей изменения динамических параметров газа и гранул катализатора. Отдельные из них показаны на рисунке 1, где приведены графики изменения избыточного давления вдоль длины реакционной зоны, выраженной как отношение к высоте слоя катализатора , для различных режимов по скорости и давлению газа на входе в реактор, соответствующих разным эксплуатационным режимам работы двигателей карьерных автосамосвалов.

			VI
		V
			IV
	III
			II
I

0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 0,28 0,32 0,36 0,40

l / h

I, II, III, IV, V, VI - режимы исходных параметров моделирования

по давлению и скорости газа на входе в реакционную зону

Рис. 1 Изменение избыточного давления () вдоль длины

реакционной зоны каталитического нейтрализатора ()

Для примера были приняты следующие режимы: I режим - 2,0 м/с, 103,5 кПа; II режим - 4,0 м/с, 105,2 кПа; III режим - 6,0 м/с, 110,9 кПа; IV режим - 8,0 м/с, 113,8 кПа; V режим - 10,0 м/с, 118,4 кПа; VI режим - 12,0 м/с, 121,6 кПа.

Из приведенных результатов видно, что для всех режимов общим является падение давления вдоль длины реакционной зоны. Это объясняется тем, что скорость газа между гранулами катализатора (в порах) больше, чем скорость на входе в реактор. Действительно, скорость газа в пористой среде усредняется только по объему пор, а плотность газа по всему выделенному объему, занятому газом и гранулами. Вследствие этого мы имеем в реакторе, как бы, сужающиеся каналы, где скорость газа увеличивается. Тогда, по формуле Бернулли, давление газа уменьшается. Из графиков видно также, что разные кривые убывают с различными скоростями. При этом градиент давления газа вдоль длины реактора тем больше, чем больше давление газа на входе в реактор.

Кроме того, получены зависимости изменения плотности газа, осредненных по объему реактора плотности распределения гранул, их скорости и порозности, а также другие характеристики для различных режимов газа на входе.

Результаты численного расчета показывают, что разработанная модель взаимодействия газа и гранул катализатора в реакторе каталитических систем очистки выхлопных газов, как движения газа в подвижной пористой среде, достаточно достоверно описывает весь газодинамический процесс в целом и поведение динамических характеристик потока в частности.

Таким образом, полученные результаты моделирования процессов газодинамики могут быть использованы при определении оптимальных конструктивных параметров систем очистки выхлопа транспортных средств.