Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

NUMERICKÁ ANALÝZA PROCESů NAP11 Spalování a vícefázové toky. Hmotnostní a entalpické bilance, chemické reakce. Spalovací komora s nepředmíšeným proudem.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "NUMERICKÁ ANALÝZA PROCESů NAP11 Spalování a vícefázové toky. Hmotnostní a entalpické bilance, chemické reakce. Spalovací komora s nepředmíšeným proudem."— Transkript prezentace:

1 NUMERICKÁ ANALÝZA PROCESů NAP11 Spalování a vícefázové toky. Hmotnostní a entalpické bilance, chemické reakce. Spalovací komora s nepředmíšeným proudem paliva a okysličovadla (metoda zlomku směsi). Heterogenní spalování. Vícefázové toky (VOF, Eulerova metoda a metoda směsi). Rudolf Žitný, Ústav procesní a zpracovatelské techniky ČVUT FS 2010 Baldung

2 NAP11 Spalování Homogenní reakce v plynech Premix (jediný vstupní proud předmíšeného paliva se vzduchem) Non premixed (oddělený palivový a oxidační proud) Laminární plamen Turbulentní plamen Laminární plamen Turbulentní plamen mixture fraction method (PDF) EBU (Eddy Break Up models) Kapalná paliva (sprej) Prášková paliva (uhlí) Lagrangian method-trajectories of a representative set of droplets/particles in a continuous media Lagrangeovská metoda-výpočet trajektorií částic, které se pohybují v kontinuu

3 NAP11 Spalování jednofázové proudění  Premix (kinetické spalování) Palivo a vzduch jsou předmíšené a spalování probíhá z zoně plamene flamelets Turbulentní premix u L rychlost hoření (=u m sin  ) Fronta hoření umum  Bunsen laminární plamen umum Porézní deska Plochý plamen R.N. Dahms et al. / Combustion and Flame (2011)  Nonpremix (difuzní spalování) Turbulentní nonpremix palivo+ spaliny vzduch+ spaliny vzduch Čára stechiometrie Laminární nonpremix Fronta plamene palivo vzduch Spaliny

4 NAP11 Spalování Cíle CFD při modelování spalovacích procesů  Teplotní pole, tepelný výkon, tepelné zatížení stěny  Složení spalin (emise NOx) K dosažení těchto cílů se musí spočítat  Rychlostní pole a charakteristiky turbulence (NS rovnice, k-  )  Transport složek (rovnice hmotnostních bilancí s uvažováním jejich produkce)  Chemické reakce (řešení rovnic rovnováhy a kinetiky reakcí)  Bilance energie (se zvláštním zřetelem na sálání, které dominuje)

5 NAP11 Hmotnostní bilance  i hmotnostní zlomek složky i ve směsi [kg i]/[kg směsi]  i hmotnostní koncentrace složky [kg i]/[m 3 ] Hmotnostní bilance (pro každou složku jedna transportní rovnice ) Rychlost produkce složky i [kg/m 3 s] Hmotnostní bilance se týkají všech složek (uhlovodíků, N 2, O 2, H 2 O, CO, CO 2, S, SO 2, NO x ) v palivovém proudu, oxidačním proudu i ve spalinách.

6 NAP11 Hmotnostní bilance Rychlost produkce složek S i je řízena dvěma mechanizmy:  Difúzí složek (mikromísení) – t diffusion (časová konstanta difúze)  Chemickou kinetikou (rychlostní rovnicí pro perfektně promísené reaktanty) – t reaction (reakční konstanta) Damkohlerovo číslo Da<<1 Da>>1 Reakce řízení kinetikou (Arrhenius) Spalování řízené difúzí (turbulentní) Podle toho, který mechanizmus dominuje (tj. je pomalejší, nejslabší článek řetězu) rozeznáváme difuzní nebo kinetické hoření

7 NAP11 Hmotnostní bilance Na rychlosti produkce konkrétní složky i se ovšem podílí více než jedna reakce a S i je tudíž třeba počítat jako sumu produkce všech probíhajících reakcí. Např. spalování metanu, popisované souhrnně jedinou rovnicí CH 4 +2O 2  CO 2 +2H 2 O probíhá ve skutečnosti dle reakčního mechanizmu, který je popisován soustavou 277 diferenciálních rovnic kinetiky, v níž figuruje 49 složek, jako jsou radikály O, OH, H,… Skutečný reakční mechanizmus se nahrazuje zjednodušeným mechanizmem, jen několika rovnicemi kinetiky důležitých mezikroků. Např. spalování metanu lze zjednodušeně popsat toliko dvojicí reakcí (Peters 2000) a rychlost produkce CO počítat jen z těchto dvou reakcí (M CH4 =16,M CO =28) tedy za předpokladu, že o rychlosti reakcí rozhoduje turbulentní difúze rychlost první reakce

8 NAP11 Rychlost reakce Při stanovení rychlosti reakcí je velký problém nelinearita závislosti rychlosti reakce na teplotě a koncentracích (které v turbulentním režimu fluktuují) Bimolekulární reakce A+B→C Rychlost reakce skutečná střední Podcenění rychlosti reakce použitím střední teploty místo střední hodnoty arrheniovského členu T[K] T mean T max T min S NOx Skutečná rychlost produkce NOx Příklad produkce NOx Až o řád menší rychlost produkce NOx odvozená ze střední teploty

9 NAP11 Entalpická bilance Rovnice entalpie (bilance energie z níž se počítá teplota) je jen jedna, a její zdrojový člen je sumou reakčních entalpií všech probíhajících reakcí Součet reakčních entalpií to platí jen když nedochází k fázovým změnám h ~ c p T záření emitované spalinami a pohlcené stěnou spalovací komory

10 NAP11 Entalpická bilance K transportu energie je třeba započítat i zdroj a absorpci záření. Emisivita směsi plynů odpovídající teplotě spalin T s Absorptivita směsi plynů odpovídající teplotě stěny T w Následující vztah (viz přednášky z tepelných procesů) je jen drastické zjednodušení, které je základem relativně jednoduchých CFD modelů (P1 model) aplikovatelných při vysokých optických hustotách spalin

11 NAP11 Metoda zlomku směsi f  fuel  oxidiser Pro řešení problému spalování existuje velké množství různých CFD modelů. Uvedu jako ukázku asi nejjednodušší možnou metodu, aplikovatelnou pro nepředmíšené proudy paliva a okysličovadla (f-metoda) Hans Baldung

12 NAP11 Metoda zlomku směsi Hmotnostní bilance paliva Hmotnostní bilance okysličovadla Hmotnostní zlomek okysličovadla (vzduch) Hmotnostní zlomek paliva (např. metanu) Idea metody spočívá v tom, že místo koncentrací (hmotnostních zlomků) všech participující složek se uvažují jen dvě složky: palivo a okysličovadlo. Cílem řešení je nalézt hmotnostní podíl paliva  fuel a hmotnostní podíl okysličovadla  ox v libovolném místě spalovacího prostoru x,y,z. Až potud je to úplně stejné jako rovnice bilancí libovolných složek. S fuel jsou kg spáleného paliva v jednotce objemu za jednu sekundu (a tuto hodnotu neznáme).

13 NAP11 Metoda zlomku směsi Co ovšem známe je stechiometrie 1 kg paliva + s kg okysličovadla  (1+s) kg spalin a odečteme předchozí rovnice Zavedeme novou veličinu Tento člen je nula, protože S fuel spáleného paliva zkonzumuje S ox = sS fuel okysličovadla

14 NAP11 Metoda zlomku směsi Zlomek směsi f je definován jako lineární funkce  normalizovaná tak, že f=0 na vstupu oxidačního proudu (číslo 0) a f=1 v palivovém proudu (číslo proudu 1) Výsledná transportní rovnice pro f (zlomek směsi) již nemá zdrojový člen Zlomek směsi f je tedy veličina, pro kterou platí zákon zachování a lze ji stanovit, aniž by bylo známo cokoliv o kinetice a rychlosti reakcí. Kam se ta kinetika ztratila? Je schována v předpokladu, že „co je promícháno, je spáleno“ nebo v zeslabené formulaci „co je promícháno je v rovnováze“. Za těchto předpokladů lze z hodnoty f, stechiometrie a z rovnovážných konstant reakcí, stanovit koncentrace všech participujících složek (tj. nejen např. podíl paliva).

15 NAP11 Metoda zlomku směsi Příklad: Výpočet hmotnostního zlomku paliva pro vypočtenou hodnotu f(x,y,z) V místě kde f je vysoké (místo s přebytkem paliva) platí V bodě x,y,z kde f=f stoichio jsou všechny reaktanty spotřebovány (tudíž  ox =  fuel =0) V místě kde je f nízké (přebytek vzduchu) platí

16 NAP11 Spalování uhelného prachu, kapiček paliva rozstřikovaných tryskou nebo rotujícím diskem jsou typické případy heterogenního spalování, řešené zpravidla Lagrangeovou metodou (sledováním trajektorií částeček bloumajích v kontinuu, spalinách) Baldung Heterogenní spalování m fuel

17 NAP11 Heterogenní spalování Pohybová rovnice letící částice o hmotnosti m. F je součet sil, kterými na částici působí tekutina (její rychlostní i tlakové pole je třeba získat řešením NS rovnic) Relativní rychlost (tekutina-částice) Síla odporu Součinitel odporu c D závisí na Re Re cDcD Newton’s region c D =0.44 Efekt mraku částic (  c je objemový zlomek disperzní fáze-plynu)

18 NAP11 Heterogenní spalování Příklad: Odpařování kapičky paliva Difuze z povrchu a změna hmotnosti kapičky: Hmotnostní zlomek paliva na povrchu Sherwoodovo číslo Schmidt = /D dif Korelace Ranz Marshall pro konvektivní přenos hmoty Podél vypočtené trajektorie částice je třeba průběžně počítat, co se s ní děje: ohřev, odpařování těkavé hořlaviny, povrchová reakce hoření tuhé hořlaviny. Pro modelování těchto dějů se využívají inženýrské korelace pro přenos hmoty a tepla.

19 NAP11 Vícefázové toky Baldung Metody  Lagrange (sprej)  Směs (např. sedimentace)  Euler (nejběžnější)  VOF (Volná hladina)

20 NAP11 Vícefázové toky Fluidní lože Mixer s centrální troubou Sprejová sušárna Anul.tok slug Bublin.var Konvektivní var Hezké vizualizace vícefázových toků najdete např. na THERMOPEDIATHERMOPEDIA

21 NAP11 Euler – vícefázové proudění Pro každou fázi q se řeší  Rovnice kontinuity (hmotnostní bilance fáze q)  Bilance hybnosti Objemový zlomek fáze q Rychlost fáze q Přenos hmoty z fáze p do fáze q Mezifázové síly Napětí počítaná stejně jako v jednofázovém toku

22 NAP11 Model směsi Řeší se vlastně jednofázové proudění pro střední hustotu  m a střední rychlost v m  Rovnice kontinuity směsi  Rovnice kontinuity pro fáze (sekundární fáze p)  Rovnice bilance hybnosti pro směs (pro jedinou rychlost) Driftové rychlosti jsou počítány z algebraického modelu na základě zrychlení (gravitace, odstředivé síly), které působí na složky směsi o různé hustotě

23 NAP11 Aplikace: Airlift reaktory Avercamp

24 NAP11 Aplikace: Airlift reaktory

25 NAP11 Aplikace: Airlift reaktory Použití metody Euler/Euler pro popis probublávaného reaktoru, kde v kapalině jsou malé a velké (Taylorovské) bubliny. Nestejné bubliny jsou považovány za různé fáze. Řeší se trojice rovnic bilance hmoty pro objemové zlomky fází  1 (podíl kapaliny),  2 (malé bubliny),  3 (Taylorovské bubliny). Mezifázové síly M kl se uvažují jen mezi kapalinou a bublinami (ne mezi malými a velkými bublinami navzájem) Pro každou fázi se řeší rovnice hybnosti: Krishna, Baten: Eulerian simulations…

26 NAP11 Aplikace: Airlift reaktory Krishna, Baten: Eulerian simulations…


Stáhnout ppt "NUMERICKÁ ANALÝZA PROCESů NAP11 Spalování a vícefázové toky. Hmotnostní a entalpické bilance, chemické reakce. Spalovací komora s nepředmíšeným proudem."

Podobné prezentace


Reklamy Google