4.1. Budowa modeli rdzenia reaktora katalitycznego
Model I
Monolit reaktora katalitycznego w pierwszym wykonaniu tworzą: przegroda środkowa ze ścianami bocznymi oraz usytuowane pomiędzy tymi ścianami, po obu stronach przegrody środkowej, powtarzalne elementy środkowe i boczne. Elementy środkowe i boczne są jednakowej wysokości, równej wysokości ścian bocznych.
Przegroda środkowa (1) łączy ściany boczne (2) wzdłuŜ całej długości nośnika, tworząc z nimi w przekroju poprzecznym kształt symetrycznej litery H. Elementy środkowe (3) i boczne (4) monolitu usytuowane są symetrycznie względem siebie i przegrody środkowej (1), a w linii prostopadłej do osi przepływu (wlot – wylot) mają ustawienie rzędowe. Po kaŜdej stronie przegrody środkowej (1) powstaje układ składający się z siedmiu rzędów, w których znajduje się jedenaście elementów środkowych (3) i sześć elementów bocznych (4). Pierwszy, trzeci, piąty i siódmy rząd tworzą dwa elementy środkowe (3). Drugi, czwarty i szósty rząd tworzą jeden element środkowy (3) i dwa elementy boczne (4).
Elementy środkowe (3) są trwale połączone z przegrodą środkowa (1), a elementy boczne (4) z przegrodą środkową (1) i odpowiednią ze ścian bocznych (2), a wysokość ścian wszystkich elementów jest równa wysokości ścian bocznych (2).
W widoku prostopadłym do środkowej przegrody (1), elementy środkowe (3) mają obrysy kwadratów, które są ustawione jednymi z przekątnych równolegle do osi przepływu (wlot – wylot). Ustawienie takie powoduje, Ŝe kąt pomiędzy ścianami tych elementów a odpowiednią ze ścian bocznych (2) wynosi 45 stopni. Boczne elementy (4) są połówkami elementów środkowych (3) i mają obrysy prostokątnych trójkątów równoramiennych. Boczne elementy (4) są usytuowane symetrycznie względem elementów środkowych (3) w taki sposób, Ŝe ich przeciwprostokątne podstawy trójkątów pokrywają się z odpowiednią ze ścian bocznych. Elementy środkowe (3) i boczne (4) kształtują dwustronny system – dolny (6) i górny (5) – sieci krzyŜujących się przepływowych kanałów. Kanały te są otwarte w osi przepływu wlot – wylot.
Zarówno elementy środkowe (3) jak i boczne (4) mają przestrzenie wewnętrzne tworzące odpowiednio komory środkowe (7) lub boczne (8). Komory te (7) i (8) stanowią wspólną
28
obustronnie otwartą przestrzeń dla usytuowanych symetrycznie po przeciwnych stronach przegrody środkowej (1) elementów środkowych (3) bądź bocznych (4). Wszystkie komory (7) i (8) mają połączenia z przylegającymi do nich odcinkami sieci kanałów (5) i (6) przez szczeliny (9) usytuowane w środku długości kaŜdej z czterech ścian środkowych elementów (3), oraz dwóch prostopadłych ścianach bocznych elementów (4). Przy czym wysokości tych szczelin (9) są równe wysokościom ścian elementów (3) i (4), (Rys. 4.1.).
Rys. 4.1.Budowa monolitu reaktora według pierwszego wykonania.
Model II
Monolit reaktora według drugiego wykonania nie róŜni się koncepcją budowy od wersji pierwszej. RównieŜ tworzy go przegroda środkowa ze ścianami bocznymi oraz usytuowane pomiędzy tymi ścianami, po obu stronach przegrody środkowej, powtarzalne elementy środkowe i boczne. Elementy środkowe i boczne są jednakowej wysokości, równej wysokości ścian bocznych.
Elementy środkowe (3a) i boczne (4a) są usytuowane symetrycznie względem siebie i przegrody środkowej (1), a w linii prostopadłej do osi przepływu (wlot – wylot) mają ustawienie rzędowe. Po kaŜdej stronie przegrody środkowej (1) powstaje układ składający się z siedmiu rzędów, w których znajduje się jedenaście elementów środkowych (3a) i sześć
29
elementów bocznych (4a). Pierwszy, trzeci, piąty i siódmy rząd tworzą dwa elementy środkowe (3a). Drugi, czwarty i szósty rząd tworzą jeden element środkowy (3a) i dwa elementy boczne (4a).
Pierwszą cechą róŜniącą rdzeń według drugiego wykonania, w stosunku do rdzenia według pierwszego wykonania jest usytuowanie szczelin (9a) w komorach środkowych (7a) i bocznych (8a). Szczeliny (9a) są usytuowane w naroŜach komór, a nie w połowie długości ścian. Przy czym komory środkowe (7a) mają po dwie szczeliny (9a), a komory boczne (8a) po jednej szczelinie (9a), usytuowane w tych naroŜach, przez które przechodzą przekątne prostopadłe do osi przepływu wlot – wylot. NaroŜne szczeliny (9a) łączą komory środkowe (7a) i boczne (8a) z siecią górną (5a) i dolną (6a) przepływowych kanałów.
Dragą cechą odróŜniającą drugie wykonanie rdzenia, jest niewspółosiowy układ odcinków kanałów w sieci górnej (5a) i dolnej (6a). Kolejne odcinki kanałów sieci (5a) i (6a) mają osie przesunięte względem siebie o połowę szerokości kanału (Rys.4.2.).
30
4.2.1. Opis działania rdzenia reaktora katalitycznego.
Cykliczny wypływ spalin do przewodu wylotowego generuje w układzie wylotowym fale ciśnienia (rys. 4.3.). W pierwszym okresie wylotu spaliny z cylindra szybciej napływają do przewodu wylotowego, niŜ znajdujące się w nim gazy zdąŜą odpłynąć do atmosfery. W przewodzie wylotowym następuje spiętrzenie ciśnienia, które przy długich przewodach moŜe osiągnąć duŜe wartości. Wzrost ciśnienia za zaworem powoduje powstanie fali spiętrzającej ciśnienia, która przemieszcza się w kierunku końca przewodu wylotowego z prędkością dźwięku, znacznie większą niŜ prędkość przepływających spalin. Kąt otwarcia zaworu wylotowego ma zasadniczy wpływ na wielkość pierwotnego impulsu ciśnienia. Fale ciśnienia napotykają przeszkody w postaci zagięć, przewęŜeń, tłumików, reaktorów katalitycznych, od których się odbijają i powracają jako fale podciśnienia w kierunku cylindra. Fala podciśnienia powoduje intensywny przepływ spalin z cylindra do przewodu wylotowego. Ponadto powstające w poszczególnych przewodach fale ciśnienia spotykają się w rurze wylotowej, gdzie nakładając się na siebie tworzą nowy układ fal ciśnienia [46, 69, 80].
Układ wylotowy jest układem drgającym o określonej częstotliwości własnej, charakteryzujący się rezonansem z siłą wymuszającą. Częstotliwość drgań własnych układu wylotowego ma duŜy wpływ na przebieg zjawisk w procesie wylotu spalin. Powstające rezonanse mają dwojakie działanie. Z jednej strony zwiększają efekty dźwiękowe, z drugiej w znaczący sposób wpływają na wyrównanie ciśnienia w cylindrze [46].
Rys. 4.3. Przebieg zmian ciśnienia w cylindrze (1) oraz w przewodzie wylotowym (2) w czasie wylotu spalin w funkcji kąta OWK. [91]
31
Warunki pracy silnika powodują, Ŝe do reaktora dopływa pulsujący strumień gazów wylotowych o zmiennym ciśnieniu i prędkości, a takŜe o niejednorodnym składzie chemicznym.
Przedstawiona (w punkcie 4.1) koncepcja budowy rdzenia ma na celu zmianę charakteru przepływu gazów wylotowych przez reaktor katalityczny, co będzie miało wpływ na działanie urządzenia. Gazy przepływające przez strukturę rdzenia będą poddawane przemianom termodynamicznym oraz oscylacjom o stałej częstotliwości.
W reaktorze gazy wylotowe są dzielone wstępnie na dwie części przez przegrodę środkową rdzenia. Wpływają równocześnie do symetrycznych systemów kanałów przepływowych sieci dolnej (6) i górnej (5), z łączącymi te sieci rezonującymi komorami środkowymi (3) i bocznymi (4) o ograniczonym przepływie (rys. 4.4.).
Rys.4.4. Struktura przepływowa monolitu reaktora według pierwszego wykonania.
Zasadnicze przemiany termodynamiczne zachodzą podczas przenikania się nieustalonych strumieni gazów na skrzyŜowaniach kanałów. Oscylacje wzbudzane są we współdziałających ze sobą zespołach drgających, połączonych w jeden układ równolegle i szeregowo. Zespoły te składają się z rezonujących komór o ograniczonym przepływie i przyległych do tych komór odcinków sieci przepływowych kanałów. Zjawiska termodynamiki i mechaniki przepływu są wywołane przez odpowiednie przetwarzanie energii pulsującego, nieustalonego strumienia gazów dopływających do reaktora. Pulsacje ciśnienia w strumieniach przepływających
32
kanałami przylegającymi do komór, oddziałują przez szczeliny środkowe (rdzeń według pierwszego wykonania) lub szczeliny naroŜne (rdzeń według drugiego wykonania), wzbudzając w tych komorach oscylacje o częstotliwości ich drgań własnych. Oscylacje te oddziałują powrotnie na przepływające kanałami strumienie gazów. Przenikanie się pulsujących strumieni gazów jest realizowane przez powtarzające się na kaŜdym ze skrzyŜowań sieci kanałów prostopadłe nakładanie na siebie par tych strumieni. Wywołuje to oscylacje w odcinkach kanałów powstające w wyniku zjawiska interferencji aerodynamicznej. Oscylacje w kanałach współbrzmiąc z oscylacjami w komorach wymuszają synchroniczne drgania w całej objętości reaktora, które są niezaleŜne od zmiennych parametrów gazów dopływających do reaktora. Realizowany tym sposobem synergizm zjawisk mechaniki i termodynamiki przepływu intensyfikuje reakcje katalityczne, powodując ich realizację w całej objętości reaktora katalitycznego.
Przepływ gazu przez strukturę rdzenia będzie zachodził przy wzroście entropii gazu, wynikającym z przyrostu całkowitego ciepła właściwego o ciepło właściwe oscylacji (4.1 – 4.6) [94]. przewód wylotowy dT c dq dqc = = ⋅ (4.1) reaktor dT c dq dq dq+ t = c = c ⋅ (4.2) c oscylacji c c c+ = (4.3) 0 〉 = ⇒ ⋅ = T dq ds ds T dq c c (4.4) dT c ds T⋅ = c⋅ (4.5) T di T dT c ds= c⋅ = (4.6)
gdzie: dqc – ciepło całkowite, dq – ciepło dostarczone z zewnątrz, dqt – ciepło tarcia, ds – entropia, di – entalpia, c – ciepło właściwe pochodzące z zewnątrz, coscylacji – ciepło właściwe oscylacji, cc – ciepło właściwe całkowite, T – temperatura.
33
Intensywne tarcie wewnętrzne przy nakładaniu się strumieni umoŜliwi wzrost temperatury gazów wylotowych, ułatwiając zwłaszcza proces redukcji. Prowadzenie procesu neutralizacji przy podwyŜszonych parametrach termodynamicznych gazu będzie zapobiegało zachodzeniu reakcji odwrotnych, ograniczając w ten sposób niebezpieczeństwo powstawania podtlenku azotu (N2O). Proces neutralizacji będzie odbywał się w całej objętości gazu, a nie tylko na powierzchni powłoki katalizującej, dzięki czemu zostanie zmniejszony wpływ stopnia nagrzania rdzenia oraz natęŜenia przepływu gazów wylotowych na sprawność konwersji. Nakładanie się strumieni w połączeniu z synchronicznymi drganiami reaktora zintensyfikuje proces mieszania się gazów powodując ujednorodnienie ich składu chemicznego. Pozwoli to regulować skład przygotowywanej do spalania mieszanki paliwowo – powietrznej na wartości bliŜsze stechiometrycznym, co juŜ samo ogranicza ilość powstających w strefie płomienia toksycznych składników spalin.
Reaktor katalityczny z rdzeniem według koncepcji charakteryzuje się duŜą wytrzymałością mechaniczną przy jednoczesnej wysokiej odporności termicznej. Wynika to z faktu, Ŝe kanały przepływowe rdzenia mają przekrój poprzeczny kilkaset razy większy od stosowanych powszechnie reaktorów z nośnikami typu „plaster miodu”. Rozwiązanie takie eliminuje istotne ograniczenia klasycznych reaktorów w postaci duŜych oporów przepływu gazów wylotowych oraz zatykania się kanałów, czego następstwem jest sukcesywne zmniejszanie się powierzchni aktywnej. Ponadto przez większe przekroje kanałów przepływowych zmniejsza się równieŜ ryzyko erozji warstwy katalitycznej. Konstrukcja rdzenia powoduje, Ŝe będzie on łatwiejszy do wykonania niŜ nośnik typu „plaster miodu”, a dodatkowo wymaga uŜycia mniejszej masy materiału katalitycznego, co moŜe wpłynąć na obniŜenie kosztów produkcji.
Przedstawiona struktura rdzenia reaktora katalitycznego, symetryczna i powtarzalna w budowie, jest jednak bardzo trudna do opisu teoretycznego. Warunki pracy silnika powodują, Ŝe do reaktora dopływa pulsujący strumień gazów wylotowych o zmiennym ciśnieniu i prędkości, a takŜe o niejednorodnym składzie chemicznym. Strumień ten przepływając przez rdzeń jest poddawany wielokrotnym przemianom wynikającym z jego budowy.
34
Czyniąc załoŜenia, Ŝe gaz jest doskonały w sensie termodynamicznym, opisany równaniem stanu Clapeyrona a jego energia wewnętrzna zaleŜy liniowo od temperatury, moŜemy zapisać równania konstytutywne w następującej, ogólnej postaci [74]:
RT p =
ρ
, R=cp −cv, cp =const, cv =const (4.7) T c E= v (4.8) m T cµµ
= , cµ =const, m=const (4.9) 0 ' =µ
(4.10) m T cλ λ = ,cλ =const,m=const (4.11) Wówczas układ równań wynikający z zasady zachowania masy (4.12), pędu (4.13) i energii (4.14) ma następującą postać ogólną [74]:( )
0 div = + ∂ ∂ Vρ
ρ
t (4.12)( )
M F Vρ µ
ρ
= −gradp+Div dt d (4.13)( )
p( ) (
T)
q V T c dt d vρ µ λ ρ
ρ
= + + + + div div div grad
2 2 MV V -FV (4.14)
gdzie: ρ – gęstość płynu , t – czas, V – prędkość płynu, F – siła masowa, p – ciśnienie, E – jednostkowa energia wewnętrzna płynu, M – tensor napręŜenia lepkiego, µ – lepkość dynamiczna, µ’ – lepkość dodatkowa, T – temperatura, λ – przewodność cieplna, q – ciepło, R – indywidualna stała gazowa, cp – ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, cv – ciepło właściwe przy stałej objętości, cµ, cλ – współczynniki proporcjonalności.
Przedstawiony układ równań opisuje w sposób ogólny ruch gazu, nie uwzględniając parametrów dynamicznie zmiennych, pojawiających się w zagadnieniu przepływu gazów przez układ wylotowy, a szczególnie przez przedstawioną strukturę rdzenia. Zagadnienie przepływu gazów wylotowych przez rdzeń reaktora jest na tyle złoŜone, iŜ konieczność daleko idących załoŜeń upraszczających powodowałaby zbyt duŜą rozbieŜność w stosunku do rzeczywistości.
35
Teoretycznie obliczona objętość rdzenia, podobnie jak w przypadku klasycznych reaktorów katalitycznych typu „plaster miodu”, uwzględnia wielkość silnika i charakteryzujące jego pracę parametry.
Na podstawie „Wykresu i – s dla powietrza suchego i spalin” [43] został opracowany wykres (rys. 4.5.), który posłuŜył do wyznaczania objętości właściwej gazów przy określonej temperaturze. Następnie na podstawie wzoru (Vsp) obliczano objętościowy strumień spalin.
Rys. 4.5. ZaleŜność objętości właściwej gazów wylotowych od temperatury.
(4.15)
gdzie: – objętość właściwa dla temperatury t, – objętość właściwa przy temperaturze 00C, – objętość właściwa przy temperaturze 12000C, t – temperatura.
1 kmol = 28,96 kg
(4.16)
gdzie: – strumień objętościowy spalin, – współczynnik nadmiaru powietrza, – jednostkowe zuŜycie paliwa, – moc efektywna, – objętość właściwa dla temperatury t.
36