AKADEMIA GÓRNICZO – HUTNICZA
WYDZIAŁ INŻYNIERII MECHANICZNEJ I ROBOTYKI
mgr inż. Barbara Worsztynowicz - Błażejowska
PRACA DOKTORSKA
ANALIZA ZJAWISK WYWOŁANYCH PRZEPŁYWEM NIEUSTALONEGO
STRUMIENIA PRZEZ REAKTOR
KATALITYCZNY SILNIKA SPALINOWEGO
Promotor: prof. dr hab. Jan Kiełbasa
1
Spis treści
1. Wstęp ... 5
2. Przegląd literatury ... 6
2.1. Proces wylotu spalin w silniku spalinowym ... 6
2.1.1. Cechy układu wylotu spalin ... 8
2.2. Budowa reaktorów katalitycznych ... 9
2.2.1. Monolityczne rdzenie reaktorów katalitycznych ... 10
2.2.2. Warstwa pośrednia ... 15
2.2.3. Warstwa katalityczna – metale szlachetne ... 16
2.2.4. Warstwa uszczelniająca i izolująca ... 18
2.2.5. Obudowa reaktora ... 19
2.2.6. Eksploatacja reaktorów katalitycznych ... 20
2.3. Podsumowanie ... 23
3. Tezy pracy, cel i zakres pracy ... 25
4. Fenomenologiczny opis budowy i działania rdzenia reaktora katalitycznego. ... 27
4.1. Budowa modeli rdzenia reaktora katalitycznego ... 27
4.2. Opis działania rdzenia reaktora katalitycznego. ... 30
5. Badania wstępne modeli reaktora katalitycznego – wizualizacja zjawisk ... 36
5.1. Stanowisko i modele do wizualizacji przepływu ... 36
5.2. Metodyka prowadzenia badań ... 37
5.3. Wyniki badań i ich analiza ... 37
5.3.1. Model I ... 37
5.3.2. Model II ... 40
6. Badania modelu rdzenia reaktora katalitycznego na bezsilnikowym stanowisku badawczym... 43
6.1. Bezsilnikowe stanowisko badawcze ... 43
6.1.1. Charakterystyka zaworu proporcjonalnego ... 46
6.1.2. Charakterystyka czujników i przetworników temperatury ... 47
6.2. Model rdzenia reaktora katalitycznego ... 48
2
6.4. Przetworniki piezorezystancyjne ... 51
6.5. Przepływomierz laminarny ... 52
6.6. Opracowanie wyników pomiarów ... 54
6.6.1. Analiza widmowa ... 54
6.6.2. Analiza statystyczna ... 56
6.7. Wyniki pomiarów ... 57
6.7.1. Analiza pomiaru temperatury... 60
6.7.2. Analiza rozkładu ciśnienia czynnika przepływającego przez rdzeń ... 61
6.7.3. Analiza przebiegu ciśnienia w poszczególnych punktach pomiarowych. ... 62
6.7.4. Analiza przebiegu ciśnienia w funkcji częstotliwości ... 77
6.7.5. Zestawienie wyników z analizy widmowej ... 103
7. Modelowanie przepływu przez rdzeń reaktora katalitycznego przy uŜyciu komputerowej mechaniki płynów – CFD (Computational Fluid Dynamics). ... 107
7.1. Komputerowa Mechanika Płynów – CFD. ... 107
7.2. Modelowanie procesów przepływowych w rdzeniu reaktora katalitycznego. .. 110
7.2.1. Analiza numeryczna modelu podstawowego ... 112
7.2.2. Analiza numeryczna przeprowadzona na modelu ze zwęŜonymi o 40 % szczelinami. ... 114
7.2.3. Analiza numeryczna przeprowadzona na modelu z dodatkowymi przegrodami w komorach. ... 116
8. Wnioski... 119
9. Proponowane kierunki dalszych badań. ... 122
3
Spis oznaczeń
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 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 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
– objętość właściwa dla temperatury t – objętość właściwa przy temperaturze 00C
– objętość właściwa przy temperaturze 12000C t – temperatura
4
– strumień objętościowy spalin – współczynnik nadmiaru powietrza
– jednostkowe zuŜycie paliwa – moc efektywna
Qp – strumień masy powietrza
– róŜnica ciśnienia
– stała przepływomierza
– lepkość kinematyczna powietrza
– przełoŜenie mikromanometru Recknagla – gęstość cieczy manometrycznej
– róŜnica ciśnienia na wejściu i wyjściu z przepływomierza laminarnego – sygnał czasu ciągłego
– częstotliwość
, , – współczynniki – amplituda zespolona drgania
– dyskretne przekształcenie Fouriera szeregu próbek czasowych,
– sygnał czasu dyskretnego, odwrotne dyskretne przekształcenie szeregu próbek widmowych.
5
1. Wstęp
Postępująca degradacja środowiska naturalnego powoduje, iŜ coraz większa uwaga skupiona jest na aspektach związanych z ograniczeniem emisji szkodliwych związków do atmosfery. Eksploatacja silników spalinowych na szeroką skalę ma znaczący udział w globalnej emisji niebezpiecznych zanieczyszczeń, powstających w wyniku spalania paliw. Konstrukcje silników są nieustannie doskonalone, w celu ograniczenia powstawania szkodliwych składników w komorze spalania. Jednak w obliczu rygorystycznych norm czystości spalin zabiegi te są niewystarczające. Konieczne jest stosowanie reaktorów katalitycznych w układach wylotowych silników spalinowych. Reaktory pracują w trudnych i zmiennych warunkach cieplnych i chemicznych, w sprzęŜeniu z rozbudowanymi systemami sterowania i diagnostyki silników. Reaktory katalityczne muszą dobrze działać w szerokim zakresie temperatur, przy róŜnym stęŜeniu i natęŜeniu spalin. NaraŜone są na wstrząsy, wibracje, szoki termiczne, uszkodzenia mechaniczne. Jednocześnie wymagana jest wysoka trwałość, oznaczająca poprawną pracę układu katalitycznego przez długi okres eksploatacji pojazdu. Stawiane wymagania, podyktowane koniecznością dbałości o środowisko oraz zaostrzającymi się systematycznie normami emisji spalin oznaczają konieczność nieustannego rozwoju układów katalitycznych, co wiąŜe się równieŜ z poszukiwaniem nowych rozwiązań.
6
2. Przegląd literatury
2.1. Proces wylotu spalin w silniku spalinowym
Proces wylotu spalin z cylindra rozpoczyna się kilkadziesiąt stopni OWK przed DMP i kończy po przekroczeniu GMP [7, 77, 80].
PrzewaŜnie w związku ze zmieniającymi się w trakcie trwania tego procesu przyczynami wywołującymi wypływ spalin, dzieli się go na trzy etapy [32, 69].
Pierwszy etap jest określany jako swobodny wypływ. Rozpoczyna się w chwili otwarcia zaworu wylotowego. W okresie tym spaliny wypływają z cylindra pod wpływem duŜej róŜnicy ciśnień występującej pomiędzy gazami znajdującymi się w cylindrze i w przewodzie wylotowym. Ciśnienie spalin panujące w cylindrze w chwili otwarcia zaworu wynosi 0,5 – 0,6 MPa, natomiast w przewodzie wylotowym jest zbliŜone do ciśnienia otoczenia, tak więc stosunek tych ciśnień jest nadkrytyczny. Wypływ spalin odbywa się z prędkością dźwięku, a skokowej zmianie ciśnienia towarzyszą efekty dźwiękowe o stosunkowo duŜej energii. Hałas jest wyraźnie słabszy przy częściowych obciąŜeniach silnika i zmniejszonym ciśnieniu w chwili otwierania zaworu wylotowego. Jednak wówczas okres swobodnego wylotu spalin trwa znacznie krócej, a jest moŜliwy równieŜ jego całkowity zanik. W miarę wypływu spalin z cylindra stosunek ciśnień maleje poniŜej wartości krytycznej i prędkości wypływu stają się poddźwiękowe. Okres swobodnego wypływu spalin trwa do momentu, kiedy prędkość tłoka jest na tyle duŜa, Ŝe zaczyna on wypychać spaliny z cylindra. Następuje to po przekroczeniu przez tłok DMP [7, 32, 46, 69, 77, 80, 91, 93].
DuŜym prędkościom przepływu czynnika odpowiada duŜa energia kinetyczna, która jest szybko rozpraszana w układzie wylotowym. Energia kinetyczna jest zamieniana na dodatkową ilość ciepła [77].
Masa wypływających spalin jest w przybliŜeniu proporcjonalna do wielkości przekroju przelotowego zaworów. Dlatego w początkowej fazie wypływu swobodnego masa ta jest bardzo mała, bo przekroje są małe. Tłumaczy to stopniowe przejście linii rozpręŜania w krzywą wylotu [32, 69].
W przypadku silników szybkobieŜnych o małych przekrojach przepływu spalin w całym układzie wylotowym, faza wylotu swobodnego spalin moŜe obejmować znaczną część procesu wylotu [46].
7
Przy całkowitym obciąŜeniu, podczas swobodnego wylotu spalin, z cylindrów wpływa około 60 do 70 % masy spalin [46].
W drugim okresie wylotu, spaliny są wytłaczane przez tłok przemieszczający się w kierunku GMP. Moment przejścia od swobodnego wypływu spalin do wytłaczania ich przez tłok zaleŜy od wpływu wielu czynników, takich jak: wcześniejsze otwarcie zaworów wylotowych, wielkości czasoprzekrojów zaworów wylotowych, prędkości obrotowej silnika, przeciwciśnienie w przewodzie wylotowym. W silnikach o duŜych przekrojach zaworów i przewodu wylotowego oraz o małym przeciwciśnieniu proces wylotu przebiega głównie za sprawą róŜnicy ciśnień, a praca zuŜywana na ich wytłoczenie z cylindra jest niewielka. Przy mniejszych przekrojach energia spalin jest w mniejszym stopniu wykorzystywana, więc wzrasta praca tracona na wytłaczanie spalin z cylindra przez tłok [32, 69].
Druga faza wylotu charakteryzuje się znacznie mniejszą prędkością przepływu spalin. Jej wartość wynika z prędkości obrotowej silnika, przekroju i ukształtowania przewodów wylotowych, chwilowej prędkości tłoka, a takŜe oporów przepływu w układzie wylotowym [46, 91, 93].
Trzeci etap wylotu przypada na końcową cześć procesu, kiedy tłok przekracza GMP i ustaje juŜ jego wyporowe działanie. Wówczas spaliny wypływają z cylindra w wyniku istniejącej jeszcze róŜnicy ciśnienia między cylindrem i przewodem wylotowym, a takŜe bezwładności spalin przemieszczających się z duŜą prędkością w przewodzie. Aby spaliny podlegały takiemu dodatkowemu usuwaniu z cylindra, konieczne jest w końcowym okresie wylotu utrzymanie przebiegu zmian ciśnienia zaraz za zaworem wylotowym poniŜej krzywej zmian ciśnienia w cylindrze [32, 69, 91, 93].
Ciśnienie gazów w cylindrze kształtuje się w zaleŜności od chwilowych wartości pola przekroju przelotowego w gnieździe zaworu, prędkości obrotowej silnika oraz chwilowej prędkości tłoka. Prędkość ta zwiększa się od zera do wartości maksymalnej, a następnie zmniejsza z powrotem do zera [7].
W celu zmniejszenia strat związanych z usuwaniem spalin z cylindra, a takŜe polepszenia warunków napływu świeŜego ładunku, naleŜy dąŜyć do obniŜenia ciśnienia spalin w drugiej części procesu wylotu. Wraz ze wzrostem ciśnienia spalin w drugiej fazie wylotu, współczynnik napełniania maleje, poniewaŜ rośnie ilość pozostających w cylindrze spalin [45].
8
2.1.1. Cechy układu wylotu spalin
Przedstawiony proces wylotu spalin jest bardzo złoŜony, zmienny w czasie i zaleŜny od wielu innych parametrów. Znacząca dla tego procesu, a więc i dla prawidłowej pracy silnika jest budowa układu wylotowego. Początkowo zadaniem układu wylotowego było jedynie wyprowadzenie powstałych w wyniku pracy silnika spalin poza obrys pojazdu. Z czasem zaczęto zwracać uwagę na hałas emitowany przez pojazdy. A poniewaŜ decydujące znaczenie dla głośności pracy silnika ma proces odprowadzania spalin [46], spowodowało to wprowadzenie elementów tłumiących (tłumików) do układy wylotowego. Rosnące globalne zanieczyszczenie środowiska wymusiło równieŜ wprowadzenie ograniczeń emisji substancji toksycznych z silników spalinowych [48]. Przyczyniło się to do wprowadzenia kolejnych elementów do układu wylotowego w postaci reaktorów katalitycznych. Obecnie układy wylotowe silników spalinowych są bardzo rozbudowanymi urządzeniami, w których zachodzą złoŜone procesy fizyczne i chemiczne mające ogromny wpływ na pracę i eksploatację silnika.
Spaliny emitowane przez silniki spalinowe to mieszanina wielu substancji chemicznych [79], z których większość stanowią produkty całkowitego i zupełnego spalania, jak równieŜ azot atmosferyczny, które nie stwarzają bezpośredniego zagroŜenia dla środowiska. (rys. 2.1.).
Rys. 2.1. Skład spalin silnika ZI. [61]
Składniki toksyczne mają niewielki udział w spalinach (rys. 2.2), ale ze względu na ich działanie na środowisko zostały objęte normami ograniczającymi ich emisję do atmosfery. Normy te są systematycznie zaostrzane, co spowodowało konieczność wprowadzenia zmian
9
zarówno w konstrukcji samych silników, jak i rodzaju ich osprzętu. Zabiegi te nie są wystarczające, dlatego konieczne jest stosowanie elementów oczyszczających gazy wylotowe. Obecnie zadanie to spełniają głównie reaktory katalityczne i filtry cząstek stałych.
Rys. 2.2. StęŜenie toksycznych składników w spalinach w funkcji współczynnika nadmiaru powietrza dla silnika ZI (a) i dla silnika ZS (b). [91]
2.2. Budowa reaktorów katalitycznych
Reaktor katalityczny zbudowany jest z następujących elementów [48, 49, 61, 79]:
− rdzeń reaktora (podłoŜe monolityczne) wykonany w postaci monolitu ceramicznego lub metalowego o strukturze plastra miodu;
− warstwa pośrednia, aktywna katalitycznie, stanowiąca nośnik metali szlachetnych; − warstwa aktywna katalitycznie, złoŜona z metali szlachetnych, naniesiona na warstwę
pośrednią;
− warstwa uszczelniająca i izolująca cieplnie w postaci mat;
10
PoniŜszy rysunek przedstawia budowę typowego reaktora katalitycznego (rys. 2.3.).
Rys. 2.3. Budowa reaktora katalitycznego [104].
2.2.1. Monolityczne rdzenie reaktorów katalitycznych
Obecnie stosowane reaktory mają zawsze podłoŜe w postaci monolitu. Monolit zbudowany jest z duŜej liczby kanalików przepływowych o małym przekroju poprzecznym, ułoŜonych równolegle, zgodnie z kierunkiem przepływu spalin. Kanaliki oddzielone są cienkimi ściankami. W przekroju poprzecznym monolit tworzy strukturę zbliŜoną do plastra miodu [48, 61 ,79].
Wielkościami charakterystycznymi dla monolitów są [48, 79]:
− liczba kanalików przypadająca na jednostkę powierzchni przekroju, którą stanowi cal2, oznaczana wskaźnikiem cpsi (cells per square inch),
− grubość ścianek, która w przypadku monolitów ceramicznych jest opisywana w tysięcznych częściach cala, natomiast w przypadku monolitów metalowych w setnych częściach milimetra.
11
Istnieje szereg parametrów związanych z monolitami, które mają zasadniczy wpływ na eksploatację reaktorów katalitycznych. NaleŜą do nich takie parametry jak:
− opory przepływu spalin,
− wytrzymałość mechaniczna monolitu, − bezwładność cieplna monolitu, − współczynnik przewodzenia ciepła, − współczynnik rozszerzalności cieplnej, − powierzchnia właściwa monolitu, − maksymalna temperatura pracy.
Rozpatrując wpływ przedstawionych parametrów monolitu na skuteczność działania reaktora katalitycznego naleŜy uwzględnić, iŜ występują dwa okresy pracy reaktora róŜniące się stanem cieplnym [86]:
− okres przed rozgrzaniem reaktora, czyli czas do uzyskania temperatury 50% sprawności konwersji (T50),
− okres po rozgrzaniu reaktora, czyli czas po osiągnięciu temperatury 50% sprawności konwersji.
Ilość kanalików przypadająca na jednostkę powierzchni monolitu (cpsi) i grubość ścianek rozdzielających kanaliki mają bezpośredni wpływ na pracę reaktora [65, 66, 67].
Na rysunku 2.4. przedstawiono zaleŜność konwersji węglowodorów i tlenku węgla od cpsi i grubości ścianek monolitu. Zmniejszenie grubości ścianek monolitu wpływa na obniŜenie masy, a więc i bezwładności cieplnej monolitu, dzięki czemu szybciej uzyskiwana jest temperatura pracy. Zagęszczenie komórek zwiększa powierzchnię kontaktu gazów z katalizatorem.
12
Rys. 2.4. Czas do uzyskania temperatury 50% sprawności konwersji dla róŜnych struktur monolitu. [18]
Zmniejszanie grubości ścianek monolitu jest równieŜ korzystnym zjawiskiem ze względu na opory przepływu spalin przepływających przez reaktor. Równocześnie zwiększanie liczby kanalików powoduje wzrost oporów przepływu spalin, powodując wzrost ciśnienia przed reaktorem (rys. 2.5.).
13
WaŜnym aspektem jest uzyskanie jak najbardziej równomiernego przepływu spalin przez monolit, dzięki czemu rozkład temperatur będzie takŜe bardziej równomierny. Zmniejszy to ryzyko lokalnego przegrzewania i dezaktywacji reaktora (rys. 2.6.).
Rys. 2.6. Rozkład przepływu spalin przez monolit w zaleŜności od kształtu powierzchni czołowej. [18]
Monolity ceramiczne
Materiałem stosowanym do produkcji monolitów ceramicznych jest zwykle kordieryt (2MgO·2Al2O3·5SiO2). Kształt monolitu jest formowany poprzez wyciskanie w specjalnych
formach pod duŜym ciśnieniem. Najczęściej kanaliki mają przekrój kwadratowy, ale mogą mieć równieŜ przekrój prostokątny, trójkątny lub sześciokątny.
Wykonywane są monolity o grubości ścianek rzędu tysięczne części cala, np. 7, 6.5, 6, 5.5, 5, 4.5, 4, 3.5, 3, 2 oraz liczbie kanalików przypadających na 1 cal2 pola przekroju poprzecznego, od 350 do nawet 1200 lub 1600. Typowo stosowana struktura to np. 400/6.5, co oznacza 400 kanalików na cal2 i grubość ścianki 0,0065 cala, jednak coraz częściej wykorzystuje się struktury o cieńszych ściankach, jak 400/4 czy 600/4 (rys. 2.7) [18, 48, 65, 79].
14
Rys. 2.7. Typowy monolit ceramiczne. [105]
Monolity metalowe
Materiałem stosowanym do produkcji monolitów metalowych są bardzo cienkie folie ze stali odpornej na korozję, które są odpowiednio kształtowane (rys. 2.8.). Monolit jest formowany poprzez zwijanie złoŜonych dwóch blach o róŜnej strukturze. Blachy są lutowane lub zgrzewane na powierzchniach styku, bądź rzadziej łączone za pomocą nitów i szpilek.
Grubość ścianek wynikające rodzaju zastosowanej folii wynosi zwykle od 0,03 do 0,07 mm. Najczęściej stosowane struktury mają od 400 do 600 kanalików na 1 cal2 pola przekroju poprzecznego monolitu [5, 34, 48, 61, 79].
15
W tabeli 2.1. przedstawiono zestawienie najwaŜniejszych cech monolitów ceramicznych i metalowych.
Tabela 2.1.
Porównanie niektórych właściwości reaktorów katalitycznych z monolitami metalowymi i ceramicznymi [21, 37, 48, 61].
Parametr Jednostka miary Monolity
metalowe ceramiczne
Liczba kanalików [1/cal2] 500 400
Długość [m] 0,1 0,1
Jednostkowa powierzchnia [m2/m3] 3700 2100 Zawartość metali szlachetnych [g/dm3] 1,76 1,76
Średnica hydrauliczna [mm] 0,88 1,12
Stopień wypełnienia - 0,73 0,69
Liczba Nusselta - 3,00 3,66
Współczynnik przewodzenia ciepła [J/m·s] 14 1,675
Ciepło właściwe [J/kg·K] 500 1089
Gęstość materiału monolitu [kg/m3] 7300 2500
2.2.2. Warstwa pośrednia
Monolity, tak ceramiczne jak i metalowe, mają słabo rozwiniętą powierzchnię właściwą, dalece niewystarczającą do osadzenia warstwy aktywnej katalitycznie [48, 75].
Dlatego monolit pokrywa się cienką warstwą mieszaniny tlenków nieorganicznych, które stanowią warstwę pośrednią. Warstwa ta musi spełniać następujące funkcje [75]:
− wykazywać dobrą adhezję do podłoŜa,
− mieć duŜą porowatość, zapewniająca jej wystarczająco duŜą powierzchnię właściwą, umoŜliwiającą odpowiednie zdyspergowanie składników aktywnych katalitycznie, − zapobiegać reakcjom w fazie stałej między podłoŜem a substancjami katalitycznymi, − nie reagować z podłoŜem i substancjami katalitycznymi,
16
Naniesienie warstwy pośredniej na monolit zwiększa jego powierzchnię do wielkości rzędu 10 000 – 40 000 m2/dm3. Grubość warstwy wynosi około 10 – 30 µm na ściankach i 100 – 150 µm w naroŜach kanalików monolitu [48]. Warstwa ta składa się z kilku podwarstw, które mogą mieć taki sam, bądź róŜny skład i właściwości [48, 75].
Warstwę pośrednią tworzą trzy składniki. Główny z nich stanowi aktywny tlenek glinu Al2O3,
który wymaga dodatków stabilizujących ze względu na niestabilność w wysokich temperaturach [75]. Dodatki te stanowią tlenki takich pierwiastków jak: cyrkon (Zr), metale ziem alkalicznych, metale ziem rzadkich. Ich rola nie ogranicza się tylko do stabilizacji podłoŜa, poniewaŜ wzmacniają teŜ działanie katalityczne i hamują spiekanie metali szlachetnych [48].
Trzecim składnikiem warstwy pośredniej jest tlenek ceru (CeO2). Spełnia on wiele funkcji, z
których najwaŜniejszą jest magazynowanie tlenu zawartego w mieszance ubogiej i uwalnianie go podczas pracy silnika w warunkach mieszanki bogatej [22, 51, 52, 53, 75, 99, 100],
a ponadto:
− jest promotorem reakcji między CO i H2O [28, 48, 75],
− jest promotorem reakcji między NO i CO [48, 55, 87], − stabilizuje termicznie tlenek glinu [39, 48, 64, 75],
− stabilizuje dyspersję metali szlachetnych na warstwie pośredniej [9, 23, 48, 64, 75, 83].
Spośród dodatków dwutlenek cyrkonu ma własności aktywujące działanie CeO2. Warstwy
pośrednie zawierające roztwory stałych tlenków CeO2 – ZrO2 cechują się wysoką
wydajnością magazynowania tlenu i stabilnością termiczną, a takŜe zwiększoną aktywnością przy usuwaniu CO i NOx [48, 98].
2.2.3. Warstwa katalityczna – metale szlachetne
Mianem katalizatora definiuje się substancje, których obecność przyspiesza przebieg określonych reakcji. W przypadku reaktorów katalitycznych zadaniem substancji aktywnych jest zapoczątkowanie reakcji w jak najniŜszej temperaturze [24]. Jako substancje katalityczne wykorzystuje się metale szlachetne z grupy platynowców, takie jak platyna, pallad, rod, iryd, ruten [8, 48, 61, 82]. Z pośród wymienionych metali powszechnie stosowane są platyna, pallad i rod [48, 61, 75, 79, 82], poniewaŜ wykazują odpowiednio wysoką skuteczność
17
konwersji szkodliwych składników spalin oraz posiadają zadowalającą tolerancję na zatrucie siarką [75, 82]. Natomiast iryd i ruten tworzą niestabilne (lotne) formy tlenków [82].
Ogólna zawartość metali szlachetnych wynosi zazwyczaj d 1,0 do 2,0 g/dm3 objętości reaktora [48].
Rod przyspiesza reakcje redukcji tlenków azotu znajdujących się w spalinach. Aktywność rodu w stosunku do tlenku azotu (NO) powoduje łatwą dysocjację NO, a powstające cząsteczki azotu (N2)desorbują z powierzchni reaktora juŜ przy temperaturze 200 – 300 0C.
Uwolniony w tej reakcji tlen łączy się z cząsteczkami tlenku węgla (CO), w wyniku czego tworzone są cząsteczki dwutlenku węgla (CO2) [48, 61, 79].
Platyna i pallad przyspieszają reakcje utleniania tlenku węgla (CO) i węglowodorów (HC). Jednak warunkiem zajścia tych reakcji jest obecność wolnego tlenu w spalinach [48, 61, 79]. Pallad charakteryzuje się najniŜszą temperaturą początku działania (rys. 2.9.), zwłaszcza dla utleniania węglowodorów, co jest istotną cechą przy rozruchu zimnego silnika. Jest teŜ bardziej odporny na termiczną dezaktywację przez spiekanie [27, 38, 48, 85].
Rys. 2.9.Wpływ składu warstwy katalitycznej na temperaturę początku działania. [82]
Platyna wykazuje dobre właściwości utleniające w stosunku do węglowodorów nasyconych i parafinowych. Ponadto bardziej korzystne i prostsze w wykonaniu jest zestawienie platyny z rodem w reaktorze katalitycznym, niŜ palladu z rodem [70, 71].
18
2.2.4. Warstwa uszczelniająca i izolująca
Warstwa izolacyjna ma zasadnicze znaczenia dla zapewnienia trwałość reaktora katalitycznego. Materiał izolacyjny musi spełnić następujące zadania [48, 89]:
− osadzić monolit wewnątrz obudowy,
− kompensować róŜne współczynniki rozszerzalności cieplnej między monolitem i obudową,
− kompensować tolerancję zewnętrznych wymiarów monolitu,
− cechować się odpornością na korozję, ze względu na kwaśne składniki gazów wylotowych,
− wykazywać się odpornością na działanie wysokich temperatur,
− cechować się odpornością na erozję, ze względu na duŜą prędkość i pulsację ciśnienia gazów wylotowych,
− wykazywać małą przepuszczalność gazów wylotowych, − wykazywać niską przewodność i pojemność cieplną.
W zaleŜności od rodzaju monolitu oraz warunków pracy reaktora katalitycznego stosuje się następujące typy mat [48, 90]:
− standardowa mata przeciwogniowa,
− mata przeciwogniowa o zmniejszonej zawartości wermikulitu, − mata nieprzeciwogniowa,
− mata hybrydowa.
Standardowa mata przeciwogniowa składa się z glinokrzemianowych włókien ceramicznych, spoiwa organicznego i materiału rozszerzającego się pod wpływem ciepła – wermikulitu. Stosowana jest powszechnie do reaktorów, w których montowane są monolity ceramiczne. Mata przeciwogniowa o zmniejszonej zawartości wermikulitu składa się z tych samych składników co mata standardowa, ale zawartość wermikulitu jest mniejsza, a włókna ceramiczne czystsze. Efektem są niŜsze naciski w wysokich temperaturach oraz lepsza odporność na erozję.
19
Mata nieprzeciwogniowa nie zawiera wermikulitu i stosuje się w niej specjalne włókna polikrystaliczne o duŜej zawartości tlenku glinu. Zachowuje spręŜystość w temperaturach przekraczających 1000 0C. Cechuje się małym, równomiernym naciskiem w całym zakresie temperatur pracy reaktora, a takŜe dobrą odpornością na erozję.
Mata hybrydowa składa się z dwóch warstw: maty nieprzeciwogniowej, która styka się z monolitem i maty przeciwogniowej od strony obudowy. Uzyskuje się dobrą wytrzymałość na wysokie temperatury, niskie maksymalne naciski, a przy tym zwiększającą się wraz ze wzrostem temperatury siłę utrzymującą monolit.
Rys. 2.10. Przykład maty uszczelniającej [107].
2.2.5. Obudowa reaktora
Obudowa wykonywana jest z wysokogatunkowych stali chromowych lub chromowo – niklowych. Stale te charakteryzującą się dobrą odpornością na działanie korozyjne, utleniające i rozszerzalność termiczną wynikającą z wysokich temperatur. Obudowa posiada podwójne ścianki, pomiędzy którymi znajduje się warstwa izolująca akustycznie i termicznie. Osłona termiczna chroni elementy pojazdu znajdujące się w bezpośredniej bliskości reaktora przed nadmiernym nagrzewaniem, oraz skraca czas potrzebny do uzyskania przez reaktor temperatury pracy przy rozruchu silnika. Kształt obudowy ma znaczenie dla rozprowadzenia dopływających do reaktora gazów wylotowych na powierzchni czołowej rdzenia, a więc dla procesu konwersji, a takŜe równomiernego obciąŜenia termicznego i mechanicznego monolitu.
20
2.2.6. Eksploatacja reaktorów katalitycznych
Warunki pracy reaktorów katalitycznych są bardzo zmienne. Urządzenia te umieszczone w układzie wylotowym silników spalinowych naraŜone są na następujące czynniki:
− wysokie temperatury,
− pulsacje gazów wylotowych,
− drgania powodowane pracą silnika i ruchem pojazdu, − szoki termiczne powodowane wahaniami temperatury, − obciąŜenia udarowe.
Czynniki te wpływają na spadek aktywności katalitycznej przejawiający się wzrostem temperatury konwersji w okresie nagrzewania się reaktora (rys. 2.11.) oraz spadkiem stopnia konwersji składników spalin podczas jego pracy w ustalonych warunkach cieplnych [4].
Rys. 2.11. Wpływ procesu starzenia się reaktora na temperaturę konwersji.[47]
Dezaktywacja katalizatora moŜe być wynikiem róŜnych procesów [48, 63, 76], wśród których wyróŜnia się trzy podstawowe grupy:
Procesy termiczne − spiekanie,
− tworzenie stopów metali szlachetnych, − zmiany struktury powierzchni,
− oddziaływanie między metalami szlachetnymi a alkalicznymi,
21
− utlenianie,
− parowanie metali. Procesy chemiczne
− zatruwanie – adsorpcja lub nieodwracalne reakcje na powierzchni, − spowalnianie – odwracalna adsorpcja prekursorów trucizn,
− przemiana struktury powierzchni katalizatora wywołana truciznami, − fizyczne i chemiczne zatykanie porowatej struktury nośnika,
− osadzanie zanieczyszczeń – osady węglopochodne. Procesy mechaniczne
− szoki termiczne, − pękanie,
− ścieranie i niszczenie fizyczne.
Reaktor katalityczny pracuje w bardzo szerokim zakresie temperatur. Przy zimnym rozruchu temperatura reaktora jest zbliŜona do temperatury otoczenia, a w normalnych warunkach pracy zawiera się w przedziale od 2000C, do 11000C, a niekiedy moŜe osiągnąć nawet 12000C. Jednak prawidłowo reaktor pracuje w przedziale temperatury od 3000C do 8500C [17, 48, 60, 61, 81].
Na zakres temperatury w jakiej pracuje reaktor, a zwłaszcza na maksymalną temperaturę spalin ma wpływ odległość reaktora od zaworów wylotowych [68].
Częsta praca reaktora katalitycznego w wysokich temperaturach, przekraczających 850 – 9000C prowadzi do przyspieszonego starzenia warstwy pośredniej [1, 20, 51, 58, 61, 62]. Zjawiska spiekania oraz utleniania uwaŜane są za najwaŜniejsze czynniki dezaktywacji reaktorów [29].
Zmienne temperatury spalin w układzie wylotowym silnika występujące w nieustalonych warunkach pracy pojazdu oraz pojawiające się skokowe przyrosty temperatury spowodowane egzotermicznymi reakcjami utleniania HC powodują szoki termiczne w reaktorze katalityczny [31, 72]. Dodatkowo przepływ spalin przez strukturę monolitu jest nierównomierny (rys. 2.12.). Znacznie większe natęŜenie strumienia spalin w środkowej części w stosunku do powłoki zewnętrznej, powoduje duŜe róŜnice temperatury [30]. Dlatego dezaktywacja termiczna następuje najczęściej wzdłuŜ osi monolitu, powodując utratę aktywnej powierzchni katalizatora.
22
Szoki termiczne mogą być równieŜ powodowane gwałtownym, miejscowym obniŜeniem temperatury obudowy reaktora wynikającym z warunków zewnętrznych w jakich jest eksploatowany (np. natrysk wody z elementów podwozia pojazdu).
Rys. 2.12. Rozkład prędkości przepływu spalin wzdłuŜ średnicy reaktora katalitycznego [36].
Wysokie temperatury, przekraczające 11000C mogą dodatkowo prowadzić do niekorzystnych napręŜeń termicznych wynikających z róŜnych współczynników rozszerzalności cieplnej monolitu i obudowy, a takŜe do przemieszczania się monolitu w obudowie [35].
Niekorzystnym z punktu widzenia ograniczania emisji okresem pracy reaktora katalitycznego jest rozruch zimnego silnika [2, 12, 14, 15, 16, 40, 44, 45, 56, 57, 88]. Reaktor jest nieaktywny do momentu uzyskania temperatury pracy około 200 – 3000C. Oznacza to , Ŝe w czasie około 120 – 180 s spaliny powstające w wyniku pracy silnika nie są poddawane konwersji. W tym czasie stęŜenie HC i CO w emitowanych do atmosfery gazach wylotowych jest największe. Koniecznym jest skrócenie tego okresu, co moŜna uzyskać poprzez zastosowanie źródeł dodatkowej energii, takich jak grzejniki elektryczne [2, 37], dopalacze [78], palniki [40] lub poprzez modyfikację układu wylotowego w postaci dodatkowych reaktorów rozruchowych [12], izolowanych cieplnie kolektorów i rur wylotowych [12], doprowadzenie dodatkowego powietrza do układu wylotowego [10, 12].
Charakter pracy silnika spalinowego powoduje cykliczny wypływ spalin do przewodu wylotowego o zmiennym ciśnieniu, prędkości, temperaturze i strumieniu masy, co jest niekorzystne dla pracy reaktora. Pulsacje gazów przyczyniają się do nierównomiernego rozkładu ciśnienia i przepływu gazów przez monolit. Powstają lokalnie w kanalikach siły
23
promieniowe, a takŜe dochodzi do miejscowego przegrzewania i nierównomiernego starzenia reaktora.
Drgania oddziaływujące na reaktor katalityczny pochodzą z róŜnych źródeł. Przede wszystkim są to drgania o wysokiej częstotliwości wynikające z pracy silnika, ale równieŜ drgania od podwozia o niskiej częstotliwości i pulsacje wynikające z nieustalonego przepływu spalin [48]. Zlikwidowanie wszystkich nakładających się drgań jest trudne, dlatego między monolitem a obudową powstają siły powodujące przesunięcia i dodatkowe obciąŜenia.
Badania [26] przeprowadzone na pojazdach wyposaŜonych w trójfunkcyjne reaktory katalityczne dla dwóch rodzajów paliw wykazały proporcjonalną zaleŜność pomiędzy składem paliwa i składem spalin. Reaktory katalityczne mają tendencję do ulegania dezaktywacji chemicznej poprzez oddziaływanie z substancjami zawartymi w paliwie, głównie siarką [20, 50, 63, 84] i olejach smarnych [3, 11, 19, 42, 95].
2.3. Podsumowanie
Historia reaktorów katalitycznych stosowanych w układach wylotowych silników spalinowych sięga lat ‘60 – ‘70 dwudziestego wieku. Od początku rdzeń reaktora miał postać monolitu ceramicznego lub metalowego, składającego się z wielu kanalików o małym przekroju, równoległych do osi przepływu spalin, w przekroju poprzecznym tworząc strukturę plastra miodu.
I tak koncepcja budowy monolitu (rdzenia) nie uległa zmianie. Oczywiście technologia wykonania została udoskonalona. Rdzenie posiadają coraz większą liczbą kanalików przypadającą na jednostkę powierzchni przekroju (cpsi), a dzielące je ścianki są znacznie cieńsze. Jednak uwaga konstruktorów skupiona jest głównie na zjawiskach chemicznych, a nie fizycznych. Cały czas pracuje się nad składem substancji tworzących warstwę pośrednią, a przede wszystkim nad substancjami (metalami szlachetnymi) aktywnymi katalitycznie. Normy dotyczące emisji spalin są coraz bardziej rygorystyczne, dlatego układy oczyszczania spalin staja się bardzo rozbudowane. Wynika to z faktu, iŜ reaktory katalityczne pracują prawidłowo w wąskich zakresach wartości, takich parametrów jak temperatura czy współczynnik nadmiaru powietrza. Natomiast warunki pracy silnika są zmienne, uzaleŜnione od zmian obciąŜenia, prędkości obrotowej.
24
Ponadto reaktor stanowi element dodatkowego, niekorzystnego oporu w układzie wylotowym silnika, poniewaŜ przepływ spalin przez strukturę typu plaster miodu ma charakter laminarny. Właściwym krokiem w związku z tym wydają się poszukiwania rozwiązań, w których nie było by ograniczenia przepływu i wykorzystano by zjawiska dynamiczne pochodzące od silnika do ułatwienia reakcji katalizy.
25
3. Tezy pracy, cel i zakres pracy
Tezy pracy
1) Zaproponowana struktura rdzenia rektora katalitycznego, moŜe mieć wpływ na zwiększenie zawirowania i lepsze mieszania gazów wylotowych w reaktorze, umoŜliwiając zachodzenie zjawisk sprzyjających procesom neutralizacji toksycznych składników spalin.
2) Zaproponowana struktura rdzenia, która ma większe przekroje kanałów przepływowych w stosunku do obecnie stosowanych, moŜe mieć wpływ na zmniejszenie oporów przepływu gazów wylotowych.
3) Zaproponowana struktura rdzenia moŜe wpływać na zmniejszenie poziomu natęŜenia hałasu w układzie wylotu spalin silnika.
Cel pracy
Celem pracy jest rozpoznanie zjawisk zachodzących w proponowanej strukturze rdzenia reaktora katalitycznego. Zaproponowana struktura rdzenia ma odmienną budowę w stosunku do obecnie stosowanych monolitów. Geometria nowego rozwiązania powoduje zmianę charakteru przepływu czynnika przez reaktor. Poznanie zjawisk zachodzących w badanym modelu rdzenia moŜe pozwolić na ocenę moŜliwości zastosowania tej struktury w samochodowych reaktorach katalitycznych.
26
Zakres pracy
Zakres pracy został ograniczony do badań teoretycznych oraz eksperymentu, które obejmują:
• Wstępne badania przepływowe, polegające na wizualizacji nieustalonego przepływu przez modele struktury rdzenia reaktora katalitycznego.
Wykonano dwa modele z tworzywa sztucznego o odmiennej geometrii, umoŜliwiające badania wizualizacyjne i zapis obrazu zjawisk zachodzących wewnątrz struktury rdzenia.
• Zasadnicze badania przepływowe, polegające na pomiarze ciśnienia w wybranych punktach struktury rdzenia, podczas nieustalonego przepływu z wymuszeniami dynamicznymi.
Zbudowano model wybranej struktury rdzenia nadający się do pomiaru ciśnienia w wybranych punktach pomiarowych. Badania wykonywano na bezsilnikowym stanowisku badawczym, które umoŜliwiało przeprowadzenie niezbędnych pomiarów przy przepływie z róŜnymi częstotliwościami wymuszającymi.
• Modelowe badania przepływowe, polegające na numerycznej symulacji przepływu przez strukturę rdzenia z wykorzystaniem narzędzi CFD.
Przygotowano model numeryczny wybranej do badań zasadniczych struktury rdzenia, a takŜe modele z wprowadzonymi zmianami w strukturze rdzenia, na których przeprowadzono symulację metodami CFD.
27
4. Fenomenologiczny opis budowy i działania rdzenia reaktora katalitycznego.
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
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
5. Badania wstępne modeli reaktora katalitycznego – wizualizacja zjawisk
Badania obejmowały wizualizację przepływu czynnika roboczego przez modele reaktora. Przeprowadzenie wizualizacji miało kilka celów. Przede wszystkim sprawdzenie załoŜeń teoretycznych dotyczących zjawisk dynamicznych wywołanych przepływem czynnika przez strukturę rdzenia. Ponadto porównanie konstrukcji rdzenia w wykonaniu pierwszym i drugim, oraz podjęcie decyzji o wyborze jednej z wersji do dalszych badań.
5.1. Stanowisko i modele do wizualizacji przepływu
Wykonano dwa modele z tworzywa sztucznego, o odmiennej geometrii, umoŜliwiające obserwację zjawisk zachodzących wewnątrz reaktora. Na wejściu do modeli zostały umieszczone ceramiczne sita. Następnie kaŜdy z nich połączono z przewodem doprowadzającym i odprowadzającym oraz umieszczono pionowo na stanowisku badawczym, przy czym przewód doprowadzający znajdował się w dolnej części układu (rys. 5.1).
37
5.2. Metodyka prowadzenia badań
Badania wizualizacyjne polegały na przepuszczaniu pęcherzyków powietrza przez modele reaktora wypełnione wodą. Powietrze było doprowadzane przewodem ze spręŜarki tłokowej (bez zbiornika wyrównawczego) pracującej z częstotliwością 12,5 Hz. Sita, umieszczone na wejściu do modeli badanej struktury miały za zadanie rozdrobnienie pęcherzyków powietrza i ich równomierne doprowadzanie na całej powierzchni wejściowej. Ciśnienie wewnątrz badanej struktury wynosiło 500 mm H2O. Po doprowadzeniu
pęcherzyków powietrza, prowadzona była rejestracja obrazu zachodzących zjawisk z częstotliwością 30 klatek na sekundę [96, 97].
5.3. Wyniki badań i ich analiza
5.3.1. Model I
Pulsujący strumień powietrza był tłoczony bezpośrednio ze spręŜarki do wnętrza struktury, w której znajdowała się woda, czyli czynnik o gęstości 103 razy większej od gęstości powietrza. Powietrze, dostając się do obszaru badanej struktury, przechodziło przez ceramiczne sito o gęstości oczek 42 1/cm2 i średnicy oczek 1 mm. Po przejściu przez sito, w dyfuzorze następowało łączenie podzielonych wcześniej strumieni i powstawały duŜe pęcherze o róŜnym kształcie i wielkości. Ponadto w dyfuzorze zaobserwowano zjawiska, wskazujące na występowanie intensywnych zawirowań. Strumień pęcherzy powietrza dopływając do rdzenia modelu, był dzielony na dwie części przez przegrodę środkową. Następnie kaŜda z nich na kolejne trzy części poprzez komory znajdujące się w pierwszym rzędzie, w proporcjach 50 % – przestrzeń pomiędzy komorami i dwa razy 25 % – przestrzenie między kaŜdą z komór a ścianą boczną. Strumień środkowy podlegał kolejnemu podziałowi na dwie części na powierzchni wierzchołka komory środkowej drugiego rzędu. I tak strumienie trafiały do układu ośmiu symetrycznych kanałów, czterech w sieci dolnej i czterech w sieci górnej, w których następował intensywny przepływ, oraz przylegających do nich komór o ograniczonym przepływie. Po przejściu przez rdzeń strumienie powietrza wypływały do konfuzora w postaci duŜej ilości drobnych pęcherzyków, podlegających intensywnym zawirowaniom.
38
Stabilizacja warunków przepływu następowała po czasie, kiedy strumień docierał do ostatnich elementów układu.
Obserwacje przepływu pozwoliły stwierdzić, iŜ czoło zaburzenia fali ciśnienia przemieszcza się równolegle przez sieć kanałów oraz przez komory środkowe i boczne. Układ pulsuje z jedną stałą częstotliwością.
Strumienie spręŜonego powietrza przepływając przez rdzeń, kaŜdorazowo po pokonaniu odcinka kanału przylegającego do jednej ze ścian komory natrafiały na skrzyŜowanie dwóch kanałów, gdzie dochodziło do zderzania i przenikania się strumieni. Następowało mieszanie wody z powietrzem, czego obrazem były białe smugi. Przepływowi czynnika w kanałach towarzyszyła intensywna turbulencja i tarcie.
Wszystkie komory mają szczeliny w połowie długości kaŜdej ze ścian, które stanowią połączenie z przylegającymi do nich odcinkami kanałów. UmoŜliwiają one ograniczony przepływ pęcherzyków powietrza przez komory, co w połączeniu z pulsacją układu, powodowało intensywne zawirowania w komorach. Wpływające poprzez szczeliny pojedyncze pęcherze wykonywały w przestrzeni komór intensywny ruch i ulegały rozbijaniu na wiele bardzo drobnych pęcherzyków. Pulsacje w komorach wywierały wpływ na charakter strumienia przepływającego kanałami, następowało przenoszenie impulsów ciśnienia do sieci kanałów.
Na wejściu do modelu reaktora, pomimo zastosowanego sita, pęcherzyki łączyły się tworząc duŜe pęcherze, które w miarę przesuwania się zgodnie z kierunkiem przepływu ulegały rozbijaniu. Na wyjściu z rdzenia, w konfuzorze moŜna było obserwować juŜ tylko pęcherzyki o małej średnicy. RóŜnica wielkości była dwóch – trzech rzędów. MoŜna załoŜyć, Ŝe rozbijanie pęcherzy następowało na skutek synergizmu dwóch zjawisk, pulsacji ze stałą częstotliwością, zachodzącej w całej objętości modelu i nakładania się strumieni na skrzyŜowaniach kanałów (rys. 5.2.).
pęcherz powietrza o dużej średnicy duża ilość pęcherzyków o małej średnicy Rys. 5.2. Obraz zjawisk zachodzących na wejściu i wyjściu z rdzenia.
39
W trakcie obserwacji przebiegu zachodzących zjawisk wprowadzono do układu dodatkowy element w postaci kulek z tworzywa sztucznego o gęstości mniejszej od gęstości wody i średnicy 6 mm. Zabieg taki pozwolił na wizualizację efektu chwilowej fali stojącej, powstającego w kanałach modelu. Kulki przemieszczały się ruchem chaotycznym, zarówno w kierunku zgodnym z przepływem jak i w przeciwnym. Kiedy znajdowały się na wysokości szczelin, często ich ruch wskazywał na powstanie chwilowej fali stojącej. Wówczas kulka balansowała przez jakiś czas w zakresie pojedynczego kanalika, ograniczonego po obu stronach skrzyŜowaniami (rys. 5.3.).
Na podstawie analizy zarejestrowanych obrazów, zaobserwowano wzajemne oddziaływanie i powiązanie zjawisk zachodzących w komorach i w sieci kanałów.
40
5.3.2. Model II
Ze względu na podobną geometrię obu modeli, strumień pęcherzy powietrza w modelu według drugiego wykonania podlegał takim samym podziałom na wejściu do modelu. Następnie równieŜ przemieszczał się w układzie ośmiu symetrycznych kanałów, czterech w sieci dolnej i czterech w sieci górnej, w których następował intensywny przepływ, oraz przylegających do nich komór o ograniczonym przepływie.
Stabilizacja warunków przepływu następowała po czasie, kiedy strumień docierał do ostatnich elementów układu.
Na wejściu do modelu było umieszczone sito o gęstości oczek 32 1/cm2. Podobnie jak w poprzednim modelu strumienie powietrza po przejściu przez sito łączyły się, tworząc duŜe pęcherze o zmiennym kształcie. Na skutek intensywnej turbulencji następującej w dyfuzorze, obserwowano zawirowania strumieni i rozbijanie pęcherzy. Dlatego większość napływających do rdzenia strumieni składała się z pęcherzyków o małej średnicy. Następstwem było bardzo dobre wymieszanie powietrza z wodą, co dało się obserwować w całym przepływie przez kanały jako białe smugi. Wypływające do konfuzora pęcherze były rozdrobnione i nadal podlegały bardzo intensywnym zawirowaniom.
Rozbijanie pęcherzy juŜ w dyfuzorze wynikało z faktu, iŜ cały układ pulsował z jedną, stałą częstotliwością, a pulsacje rozchodziły się we wszystkich kierunkach.
Komory mają szczeliny w naroŜach, przez które przechodzą przekątne prostopadłe do osi przepływu wlot – wylot, tak, Ŝe połączenie komór z kanałami następowało na skrzyŜowaniach kanałów. Takie usytuowanie szczelin w połączeniu z pionowym umieszczeniem modelu na stanowisku badawczym powodowało tylko częściowe wypełnienie komór wodą. Jednocześnie dało się zaobserwować, iŜ im komory znajdują się dalej od wlotu do rdzenia tym wypełnienie powierzchni komór jest większe (rys.5.4.). Dodatkowo komory boczne, stanowiące połówki komór środkowych charakteryzowały się lepszym wypełnieniem w stosunku do komór środkowych znajdujących się w tych samych rzędach.
Strugi przepływające kanałami były wprawione w ruch turbulentny. KaŜdorazowo po pokonaniu odcinka kanału przyległego do ściany komory, natrafiały na skrzyŜowanie dwóch kanałów, gdzie przenikały się i ulegały dynamicznemu mieszaniu.
41
pęcherz powietrza o dużej średnicy duża ilość pęcherzyków o małej średnicy Rys. 5.4. Obraz zjawisk zachodzących na wejściu i wyjściu z rdzenia.
Rys. 5.5. Obraz kolejnych faz przepływu w modelu rdzenia.
Zjawiska zachodzące na skrzyŜowaniach oddziaływały na procesy w komorach. Pojawiające się w wyniku zderzeń strug na skrzyŜowaniach impulsy ciśnienia przemieszczały się poprzez szczeliny boczne do komór. Trafiające do komór środkowych z dwóch stron impulsy nakładały się powodując intensywny ruch.
Podobnie jak w przypadku modelu według pierwszego wykonania, w tym równieŜ pulsacje przemieszczały się w kierunku przepływu i powrotnym. W kanałach obserwowano zjawiska wskazujące na powstawanie chwilowej fali stojącej, jednak z mniejszym nasileniem, niŜ miało to miejsce w poprzednim modelu.
42
Wizualizacja ruchu czynnika za pomocą kulek z tworzywa sztucznego wykazała, Ŝe były one wpychane do komór, poprzez impulsy ciśnienia na skrzyŜowaniach. Następnie, pod wpływem działającego ciśnienia osiadały na dnie komór.
Przedstawiona analiza wskazuje na wzajemne oddziaływanie i powiązanie zjawisk zachodzących w komorach i w sieci kanałów.
43
6. Badania modelu rdzenia reaktora katalitycznego na bezsilnikowym stanowisku badawczym.
Badania obejmowały pomiary:
− ciśnienia czynnika w wybranych punktach pomiarowych rdzenia, − strumienia masy czynnika,
− temperatury czynnika w wybranych punktach toru pomiarowego.
Badania prowadzono podczas przepływu czynnika roboczego przez model reaktora katalitycznego. Na podstawie wcześniejszych badań wizualizacyjnych dokonano wyboru jednego z dwóch rozwiązań geometrycznych rdzenia. Pomiary były wykonywane na przygotowanym do tego celu bezsilnikowym stanowisku badawczym.
6.1. Bezsilnikowe stanowisko badawcze
W celu przeprowadzenia analizy przepływu czynnika roboczego przez strukturę rdzenia reaktora katalitycznego zbudowano bezsilnikowe stanowisko badawcze (rys. 6.1.). Zadaniem stanowiska jest symulacja przepływu gazów w rzeczywistym układzie wylotowym silnika spalinowego.
Tego typu stanowisko umoŜliwiło prowadzenie wstępnych badań przepływu przez proponowaną strukturę rdzenia przy uŜyciu standardowych urządzeń badawczych. Badania docelowe, prowadzone na drodze przepływu spalin w układzie wylotowym silnika wymagać będą kosztownego oprzyrządowania, odpornego na działanie wysokiej temperatury i agresywnych chemicznie gazów. W przypadku przeprowadzonych badań czynnikiem było powietrze podawane pod ciśnieniem do modelu rdzenia reaktora w postaci pulsującego strumienia o określonej częstotliwości.
44
Rys. 6.1. Widok bezsilnikowego stanowiska badawczego.
Elementy składowe stanowiska badawczego (rys. 6.1.): − spręŜarka rotacyjna HYDROVANE 502, − zbiornik ciśnieniowy o objętości 2 m3,
− zawór proporcjonalny przepływu FESTO MPYE-5-3/8-010-B, − zespół przygotowania spręŜonego powietrza – filtr,
− układ do sterowania pracą zaworu – zestaw laboratoryjny ZOPAN PZL-1 (generator funkcyjny), oscyloskop HUNG CHANG 5804, zasilacz,
− układ do pomiaru strumienia masy czynnika roboczego – przepływomierz laminarny, manometr z rurką pochyłą Recknagla,
− układ do pomiaru ciśnień szybkozmiennych – przetworniki piezorezystancyjne KELLER PR-25/8797,
− układ do pomiaru temperatur – czujniki temperatury TP-233K-a-300, przetworniki pomiarowe TBD-3170-K,
− układ do rejestracji danych pomiarowych – 12 bitowa, 16 kanałowa karta pomiarowa PCL-818HD, program AGIMAG PCL818, komputer PC,
45
− zawory regulacyjne, − elementy złączne, rurowe.
Elementy składowe toru pomiarowego (rys. 6.2.):
− piezorezystancyjne przetworniki ciśnienia Keller PR-25/8797, − zasilacz do przetworników ciśnienia,
− czujniki temperatury TP-233K-a-300, − przetworniki pomiarowe TBD-3170-K,
− karta pomiarowa PCL-818HD, 12 bitowa, 16 kanałowa, maksymalna częstotliwość próbkowania 100 kHz,
− program AGIMAG PCL818, − komputer PC.
46
6.1.1. Charakterystyka zaworu proporcjonalnego
Strumień gazów dopływających do rdzenia reaktora katalitycznego pulsuje z wymuszeniem wynikającym z prędkości obrotowej silnika. Na bezsilnikowym stanowisku badawczym elementem wymuszającym pulsację przepływu był zawór proporcjonalny.
Rys. 6.3. Charakterystyka zaworu proporcjonalnego.
q – wydajność zaworu [%], Uw – napięcie zasilania [V]
Dane techniczne zaworu proporcjonalnego przepływu FESTO MPYE-5-3/8-010-B:
Nominalna wydajność 2000 l/min
Wykonanie przyłącze G3/8”
Zakres ciśnienia pracy 0 – 10 bar
Medium robocze spręŜone powietrze
Dokładność – max histereza 0,4%
Temperatura pracy / medium 0 – 500C / 5 – 400C
Sygnał wyjściowy 0 – 10 V
Zasilanie 17 – 30 V
