научная статья по теме ГОРЕНИЕ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ВОДОРОДА В ГАЗОПОРШНЕВОМ ДВИГАТЕЛЕ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ГОРЕНИЕ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ВОДОРОДА В ГАЗОПОРШНЕВОМ ДВИГАТЕЛЕ»

№ 2

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2015

УДК 544.452.5

ГОРЕНИЕ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ВОДОРОДА В ГАЗОПОРШНЕВОМ ДВИГАТЕЛЕ

© 2015 г. А.Е. СМЫГАЛИНА, В.М. ЗАЙЧЕНКО, М.Ф. ИВАНОВ, А.Д. КИВЕРИН

Объединенный институт высоких температур РАН, г. Москва E-mail: anna.smygalina@gmail.com

Исследуется возможность применения аккумулированного от возобновляемых источников энергии водорода в качестве топлива для поршневого двигателя, служащего приводом для электрогенератора. Сгорание водорода в камере поршневого двигателя, как правило, происходит в детонационном режиме. Для получения менее жестких режимов в настоящей работе предлагается использовать добавки пара к водородно-воздушной смеси или бедные водородно-воздушные смеси. Методами математического моделирования проведено исследование горения указанных смесей в камере сгорания газопоршневого двигателя с искровым зажиганием. Дано сравнение использования в качестве горючего смесей водород-пар-воздух и бедных водородно-воздушных смесей. Исследована зависимость возникающих режимов горения и их количественных характеристик от содержания водорода в горючей смеси. Представлен анализ оптимального сгорания, основанный на рассмотрении двух параметров: максимального давления в камере за цикл и угла поворота вала, приходящегося на достижение максимального давления.

Ключевые слова: водород, химическая кинетика, поршневой двигатель, детонация, дефлаграция, индикаторная диаграмма.

COMBUSTION OF HYDROGEN-BASED MIXTURES IN GAS-FUELED RECIPROCATING ENGINES

A.E. SMYGALINA, V.M. ZAITCHENKO, M.F. IVANOV, A.D. KIVERIN

Joint Institute for High Temperatures ofRAS, Moscow E-mail: anna.smygalina@gmail.com

The paper studies the utilization of hydrogen accumulated from renewable sources of energy as a fuel for reciprocating engine, which poses as an electrical generator actuator. As a rule, the burnup of hydrogen in the combustor of reciprocating engine occurs in a det-onative regime. In order to obtain less violent regimes the present work proposes the usage of steam additions to hydrogen-air mixture or lean hydrogen-air mixtures. In this work we consider combustion of stated mixtures in the chamber of reciprocating engine with sparkplug ignition. The comparison of the usage of hydrogen-steam-air mixtures and lean hydrogen-air mixtures as fuels is carried out. The dependence of arising combustion regimes and its quantitative characteristics on hydrogen content in combustible composition is investigated. The analysis of effective burnup is presented, which is based on the consideration of

two parameters: peak pressure in one cycle and the crankshaft angle corresponding to the achievement of the peak pressure.

Key words: hydrogen, chemical kinetics, reciprocating engine, detonation, deflagration, indicator diagram.

ВВЕДЕНИЕ

В системах распределенного производства электроэнергии особое место занимают возобновляемые источники энергии, для которых, как правило, характерно нестабильное во времени энергопроизводство (например, ветряные электростанции, работающие только при наличии ветра) [1]. В этом случае для оптимального использования энергии необходимо включение в систему эффективных накопителей избыточной энергии. Проблема накопителей выработанной энергии становится особенно актуальной для автономных электростанций, расположенных в местах, удаленных от больших электрических сетей. Накопление энергии в мощных аккумуляторных батареях характеризуется относительно высокой ценой и малой для длительного накопления энергии емкостью, поэтому интерес представляет поиск альтернативных методов накопления энергии.

В качестве одной из перспективных возможностей накопления энергии рассматривается следующий подход: получаемая от возобновляемых источников (например, на ветряных электростанциях) избыточная электроэнергия расходуется на электролиз воды, продуктом которого является водород. Получаемый водород может накапливаться, достаточное время храниться и по мере необходимости использоваться как топливо в газопоршневом двигателе, являющимся приводом электрогенератора. В работе [2] проведен сравнительный экономический анализ производства и аккумулирования водорода и прямого аккумулирования электроэнергии, который показал, что при долгосрочном (более пяти суток) аккумулировании энергии предпочтительней оказывается использование водорода. Водород имеет большую теплоту сгорания, его легко транспортировать, хранить, в результате сгорания отсутствуют вредные углерод-содержащие выбросы. Он имеет слабую детонационную стойкость, что препятствует его прямому использованию в качестве топлива, так как детонация в двигателях внутреннего сгорания в силу возникновения больших скачков давления имеет разрушительные последствия. Для повышения детонационной стойкости топлива на основе водорода естественным представляется использование топливных добавок, характеризующихся меньшей детонационной способностью. В качестве такого топлива могут быть взяты метан или природный газ [3]. Как правило, водородосодержащие топлива разрабатываются и исследуются с двумя целями: создание высокоэффективного топлива для двигателей внутреннего сгорания на основе водорода [4] и использование водорода как добавки к углеводородным топливам для повышения их эффективности [5, 6]. В первом случае цель во многом совпадает с задачей, стоящей при разработке системы эффективного энерговоспроизводства, рассматриваемой в настоящей работе. Однако, если при использовании водорода в качестве топлива для двигателей автомобилей большое значение имеет вопрос снижения вредных компонент в отработанных газах при сохранении достаточно высокого коэффициента полезного действия, то в нашем случае актуальной является проблема минимизации количества метана или любого другого газа, доставляемого на удаленную автономную электростанцию, для повышения порога детонации водородного топлива. Идеальным представляется полный отказ от привлечения дополнительных горючих компонент и повышение детонационной стойкости только за счет добавления к водороду водяного пара, являющегося в данном случае продуктом сгорания водородного топлива, или использования бедных во-дородно-воздушных смесей. Анализу эффективности такого подхода для создания водородного горючего посвящена настоящая статья.

В работе методами математического моделирования рассматривается горение в цилиндрической камере двигателя водородно-воздушной смеси в условиях, когда эта смесь разбавлена водяным паром или концентрация водорода в смеси меньше стехио-метрической. Вычислительный эксперимент включает расчет сжатия горючей смеси, ее поджига, сгорания и расширения продуктов горения, что соответствует второму и третьему тактам четырехтактного двигателя [7]. Размеры камеры сгорания, закон движения поршня и время поджига смеси выбраны типичными для поршневых двигателей. Сопоставление результатов расчетов сгорания топлив с различными добавками позволило выделить смеси, обеспечивающие бездетонационные режимы и оценить их эффективность с точки зрения производимой полезной работы.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Для корректного решения поставленной задачи математическая модель должна воспроизводить не только качественное, но и количественное различие в динамике и энергетике процессов горения под движущимся поршнем различных смесей с достаточно близким химическим составом. Это выдвигает более строгие требования к выбору математических моделей кинетики химических реакций, процессов переноса всех компонент горючей смеси и продуктов горения, включая промежуточные радикалы в зоне горения.

В основу математической модели газодинамики горения были положены уравнения вязкой жидкости Навье—Стокса с учетом теплопроводности, многокомпонентной диффузии и энерговыделения за счет химических реакций. Коэффициенты переноса, а также уравнения состояния несгоревшей смеси и продуктов горения соответствовали параметрам реальных смесей. Течения в камере рассчитывались в цилиндрических координатах в предположении аксиальной симметрии. В выбранной геометрии записанные в эйлеровых переменных уравнения имеют вид:

^ (рыгг) + д (рО = о; (1)

дt г дг 07.

рГ^ + иг ^ + а:7Щ = -д-Р + ^ + ^ + ^гг; (2)

V дt дг д7) дг дг д7 г

(до, + иг д^ + ^ д_иЛ = _д_Р + + да77 + 0,7; (3)

^ дt дг д,) д, дг д7 г

р(дА1+и дА+и дАР| =1д.(рвгд¥±\+д.(рвдАР|+м (дс±\ . (4)

Vдt г дг 7 д7У г дг V ' дг) д7\ ' дг) '\дt )еНвт'

р( дЕ+иг—+и 1 = -1 - тА+

V дt дг д7.) г дг д7

+1 д г(иггиг + 0^7) + д (о,гиг +077и7) +1д (г ) + ^Г^- (5)

г дг д7 г дг\ дг! д7\ д7)

N fЯ\ N

- Е ьмк [Щ + х кк

к=1 4 д;скет к=1

1 г К Ни ,

г дг V дг ) д7 V д7 /_

где р — плотность смеси; Р — давление; Т — температура; иг, и7 — компоненты вектора скорости в цилиндрических координатах (г, 7); Е — удельная полная энергия; У1 — массовая доля ;-го химического компонента смеси; стар — тензор вязких напряжений; Л, — коэффициент диффузии ;-го компонента; к — коэффициент теплопроводности; Нк — удельная энтальпия образования ^го компонента; ск — концентрация; Мк — моляр-

ная масса; N — число химических компонент, входящих в выбранный кинетический механизм. Выражение (дск/дг)скет в уравнениях (4) и (5) определяет изменение массовой доли компонента за счет химического превращения и вычисляется при решении системы уравнений химической кинетики, записанных на основе используемого кинетического механизма.

Система уравнений (1)—(5) замыкается уравнением состояния газовой смеси (6) и уравнением для расчета внутренней энергии (7):

N

Р = сЯТ = рЯТX Ук/Мк ; (6)

к=1

N

8 = СуТ + X № , (7)

к=1

где с — концентрация смеси; Су — удельная теплоемкость. Удельная внутренняя энер-

2 2

гия е связана с удельной полной энергией соотношением Е = е + (иг + иг )/2.

Приведенная выше система гидродинамических уравнений решалась численно лагранжево-эйлеровым методом [8] первого порядка точности по времени и второго по пространству, модифицированным и апробированным на решении задач физики горения в [9—11]. Расчет удельной теплоемкости и энтальпий образования компонент проводился методом аппроксимации табличных данных полиномами пятого поря

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»