Obcienie cieplne układu wylotowego górniczych napdów spalinowych w aspekcie zastosowania reaktora katalitycznego

Transkrypt

1 Mgr in. Krzysztof KACZMARCZYK Mgr in. Andrzej TUREWICZ Instytut Techniki Górniczej KOMAG Obcienie cieplne układu wylotowego górniczych napdów spalinowych w aspekcie zastosowania reaktora katalitycznego S t r e s z c z e n i e W artykule przedstawiono wyniki symulacji numerycznych, z wykorzystaniem metod CFD (Computational Fluid Dynamics), przepływu spalin przez reaktor katalityczny zabudowany w układzie wylotowym górniczego napdu spalinowego. Symulacje przeprowadzono pod ktem analizy wpływu zabezpieczenia temperaturowego powierzchni zewntrznych układu na rozkład temperatury w rdzeniu katalitycznym. S u m m a r y The results of numerical simulation of exhaust gases flow through ctalitic reactor installed in the exhaust system of mining diesel drive, using the Computational Fluid Dynamics method is presented in the paper. The simulation was made to analyze impact of protection against excessive temperature of external surface of the system on temperature distribution in catalytic core. 1. Wstp Silniki spalinowe s powszechnie stosowane w kopalniach wgla kamiennego. Zastosowanie ich w warunkach dołowych nie jest obojtne dla atmosfery kopalnianej, gdy emitowane do niej toksyczne składniki zawarte w spalinach stanowi zagroenie dla zdrowia pracowników. Naley podkreli, e górnicze napdy spalinowe pracuj w przestrzeniach o ograniczonej kubaturze, korzystajc przy tym z tego samego zasobu powietrza, z jakiego korzysta załoga górnicza. Emitowane przez napdy spalinowe zwizki toksyczne unoszone s z prdem powietrza w kierunku szybu wylotowego, przemierzajc wyrobiska korytarzowe oddziałuj szkodliwie na pracujc tam załog. Ekspozycja załóg górniczych na szkodliwe substancje zawarte w spalinach szeroko poruszana jest w literaturze [1, 5, 6]. Zespołem odpowiedzialnym za odprowadzenie spalin z silnika do otaczajcej atmosfery jest układ wylotowy. Zmniejszenie skutków negatywnego oddziaływania spalin na rodowisko kopalniane jest moliwe poprzez wprowadzenie zmian konstrukcyjnych w tym układzie. Zmiany nie mog jednake wpływa negatywnie na podstawowe funkcje bezpieczestwa, jakie spełnia układ wylotowy eksploatowany w przestrzeniach zagroonych atmosfer wybuchow [2]. W poniszym artykule przedstawiono analiz oraz obliczenia numeryczne obcienia cieplnego układu wylotowego górniczego napdu spalinowego pod ktem moliwoci zabudowy reaktora katalitycznego w czci ognioszczelnej układu. 2. Wymagania dotyczce układ wylotowego górniczego napdu spalinowego W skład układu wylotowego wchodz elementy odprowadzajce spaliny. Układ taki powinien by wyposaony w przerywacz płomieni oraz łapacz iskier. Maksymalna warto temperatury powierzchni zewntrznych układu wylotowego, znajdujcych si w atmosferze kopalnianej i wystpowania palnego pyłu, w najbardziej niekorzystnych warunkach pracy nie powinna przekracza 150 C. Wymóg ten dotyczy równie temperatury spalin bezporednio za przerywaczem płomieni. W przypadku eksploatowania urzdzenia w wyrobiskach podziemnych, w których nie wystpuje pył palny, maksymalna temperatura powierzchni i spalin, nie powinna przekracza 450 C. W przypadku kopal wgla kamiennego pył wglowy znajduje si praktycznie w kadym wyrobisku kopalnianym, co stwarza wymóg, aby maksymalna temperatura nie przekraczała 150 C. Cz układu wylotowego pomidzy przerywaczem płomieni, a silnikiem powinna spełnia dodatkowo wymagania dotyczce osłony ognioszczelnej. Osłona ognioszczelna powinna by zaprojektowana zgodnie z wymaganiami dotyczcymi gazu grupy I, okrelonymi w normie EN 50014:1997. Przepisy dotyczce napdów spalinowych wymagaj równie, aby układ wylotowy wyposaony był na swym kocu w zespół powodujcy rozrzedzanie spalin. Na rysunku 1 przedstawiono elementy układu wylotowego górniczego napdu spalinowego. MASZYNY GÓRNICZE 3/

2 W górniczych napdach spalinowych stosowane s dwa rodzaje wymienników ciepła. Pierwszym jest Mokry wymiennik ciepła (płuczka wodna), w którym spaliny maj bezporedni kontakt z czynnikiem chłodzcym. W wymienniku tym woda odbiera spalinom du iloci energii w postaci ciepła parowania, co z punktu widzenia teoretycznego jest najbardziej efektywnym sposobem wykorzystania wody, gdy jej ciepło parowania jest bardzo due - wynosi 2250 kj/kg, gdy dla porównania przy chłodzeniu obiegowym zdolno absorbowania ciepła przez wod nie przekracza 40 kj/kg [4]. Niedogodno w stosowaniu płuczki wodnej zwizana jest z cigłym ubytkiem wody, któr naley cykliczne uzupełnia. Strumie ciepła przejty od spalin na odparowanie wody w płuczce mona wyznaczy z prostej zalenoci: Q s = ms cps (ts2 ts 1) Q s strumie ciepła [J/s], m s natenie przepływu spalin [kg/s], c ps ciepło właciwe spalin [J/(kg K)], Rys.1. Elementy układu wylotowego górniczego napdu spalinowego [3] t s2, t s1 temperatury spalin na wejciu, wyjciu [ C]. Przykładowo dla silnika stosowanego w górniczych napdach spalinowych o mocy 81 kw, przy maksymalnym momencie obrotowym, ciepło jakie naley odebra spalinom wynosi Q s = kj/h, co (1) odpowiada iloci odparowanej wody równej r = 44 kg/h. W rzeczywistoci ubytek wody, nie tylko odparowanej, ale i wypychanej z płuczki cinieniem spalin, moe si róni od teoretycznego ze wzgldu na konstrukcj i miejsce zabudowy płuczki oraz zmienny charakter pracy napdu spalinowego. Ze wzgldów bezpieczestwa wymagane jest stałe monitorowanie poziomu wody tak, aby poziom minimalny nie został przekroczony, co jest utrudnione ze wzgldu na burzliwy przepływ spalin przez płuczk. Niedogodnoci te powoduj, e coraz powszechniej spotykanym rozwizaniem obnienia temperatury spalin jest zastosowanie suchego wymiennika ciepła (drugi rodzaj wymiennika), w którym przepływ ciepła od spalin do czynnika chłodzcego nastpuje poprzez przegrod rozdzielajc oba czynniki. W takim układzie czynnik chłodzcy kry w obiegu zamknitym, pobierajc ciepło od spalin w układzie suchego wymiennika ciepła i oddajc go do otaczajcego powietrza poprzez chłodnic, przez któr przepływ powietrza wymuszany jest wentylatorem. Kocowym elementem osłony ognioszczelnej jest przerywacz płomieni, który wykorzystuje gaszce własnoci szczeliny powietrznej. Dopuszcza si równie stosowanie przerywaczy wodnych, jednake w wyniku analogicznych utrudnie, jakie spotykane s w przypadku płuczki wodnej, nie s stosowane. Łapacz iskier zabudowany za przerywaczem płomieni ma za zadanie zabezpieczenie przed gorcymi czstkami. Wyróniamy suche oraz mokre łapacze iskier. Suche 42 MASZYNY GÓRNICZE 3/2013

3 łapacze iskier mog by typu zbierajcego oraz gaszcego. Przedstawiony opis elementów układu wylotowego górniczego napdu spalinowego wskazuje, e w przypadku eliminacji wad płuczki wodnej, zwizanej z ubytkiem wody oraz pomiarem jej poziomu, mogłaby ona dodatkowo pełni funkcj przerywacza płomieni oraz łapacza iskier. 3. Układ wylotowy z reaktorem katalitycznym oraz suchym wymiennikiem ciepła Wprowadzenie zmian lub zastosowanie dodatkowych zespołów w obrbie osłony ognioszczelnej układu wylotowego, takich jak suchy wymiennik ciepła oraz reaktor katalityczny wymagaj przeprowadzenia oblicze obcienia termicznego tych elementów. Na rysunku 2 przedstawiano model przestrzenny układu wylotowego z suchym wymiennikiem ciepła oraz zabudowanym reaktorem katalitycznym. Opracowanie postaci konstrukcyjnej, która spełniała kryteria cieplno-wytrzymałociowe wie si z wykonaniem wielu analiz. Przeprowadzenie analizy dla pojedynczego przypadku mona wykona w oparciu o badania stanowiskowe, obliczenia analityczne lub obliczenia numeryczne. W zalenoci od złoonoci zadania dobiera si odpowiedni metod. W tabeli 1 przedstawiono wady i zalety stosowanych metod. Jak wynika z przedstawionych danych w tabeli 1 przeprowadzenie bada stanowiskowych na modelu rzeczywistym daje najdokładniejsze wyniki, lecz czas realizacji i koszt bada nie pozwalaj, aby stosowa je dla kadej, prototypowej postaci konstrukcyjnej. Alternatyw s obliczenia numeryczne, dziki którym moliwe jest przeprowadzenie oblicze w do krótkim czasie, nawet dla bardzo skomplikowanych geometrii. Algorytmy, które opisuj rzeczywiste zjawiska, zawarte w dedykowanych programach, s coraz lepiej opisane i pozwalaj na poprawne odwzorowanie rzeczywistych zjawisk. Najbardziej rozpowszechnionym do przeprowadzania oblicze CFD (Computational Fluid Dynamics), w którym moliwa jest symulacja przepływu płynów i gazów oraz wymiany ciepła jest program Ansys Fluent. Umoliwia on przeprowadzanie oblicze dla rónych rodzajów przepływów w warunkach ustalonych Rys.2. Model przestrzenny układu wylotowego [3] Metody przeprowadzenia bada Metoda Zalety Wady Badania stanowiskowe Obliczenia analityczne Obliczenia numeryczne Dokładne wyniki bada Szybko oblicze Szybko i wielowariantowo oblicze Dane wejciowe do modelu [7] Tabela 1 Długi czas badania jednego wariantu, koszt wytworzenia modelu i przeprowadzenia bada Obliczenia obarczone duym błdem, ze wzgldu na zastosowanie uproszcze. Dla skomplikowanych modeli wymagana walidacja na obiekcie rzeczywistym Tabela 2 Nazwa Warto Jednostka Natenie przepływu spalin 364,8 kg/h Natenie przepływu wody 126 l/min Temperatura spalin 550 C Temperatura wody 80 C MASZYNY GÓRNICZE 3/

4 i nieustalonych dla przepływów nielepkich, laminarnych i turbulentnych oraz przepływów newtonowskich i nienewtonowskich. Przy włczonym równaniu energii moliwe jest równie okrelenie transportu ciepła. Do modelowania zjawisk zachodzcych w reaktorze katalitycznym wykorzystano dla stanu ustalonego model turbulentny k-epsilon, włczono równanie energii i zamodelowano warstw wewntrz reaktora, jako warstw porowat, aktywujc opcj porus media. W obliczeniach nie uwzgldniono reakcji chemicznych zachodzcych w reaktorze. Siatk numeryczn wykonano w programie Ansys Mesh. Zbudowano model numeryczny reaktora katalitycznego dla połowy modelu geometrycznego, zakładajc płaszczyzn symetrii wzdłu przepływu spalin i wody (rysunek 3). A pole przekroju [m 2 ]. v prdko przepływu [m/s], D rednica wlotu [m], v D v D ρ R e = = (3) ν µ υ lepko kinematyczna [m 2 s 1 ], µ lepko dynamiczna [kg/ms], ρ masa własna (gsto) [kg/m 3 ]. 1 ( ) 3 I = 0,16 (4) Re DH Re DH liczba Reynoldsa dla rednicy hydraulicznej. Przeprowadzone obliczenia numeryczne pozwoliły uzyska informacje dotyczce rozkładu temperatury oraz prdkoci spalin i wody w analizowanym reaktorze katalitycznym (rys. 5 i 6). Rys.3. Model numeryczny reaktora katalitycznego [7] Poniej przedstawiono wyniki oblicze numerycznych reaktora dla punktu pracy napdu spalinowego o teoretyczne maksymalnych parametrach strumienia spalin. Dane wejciowe do oblicze przedstawiono w tabeli 2. Warunki brzegowe przypisane do modelu przedstawiono na rysunku 4. Rys. 5. Rozkład prdkoci spalin i wody chłodzcej w reaktorze katalitycznym [7] Rys. 4. Warunki brzegowe dla modelu reaktora katalitycznego [7] Na podstawie danych wejciowych zawartych w tabeli 2, wyznaczono na podstawie wzoru (2) prdko przepływu spalin i wody. Ponadto, na podstawie wzorów (3, 4) wyznaczono liczb Reynoldsa oraz współczynniki turbulencji. m v = ρ A m s m natenie przepływu [kg/s], ρ masa własna (gsto) [kg/m 3 ], (2) Rys. 6. Wektory prdkoci spalin i wody chłodzcej w reaktorze katalitycznym [7] Przeprowadzone obliczenia wykazały, e moliwe jest symulowanie powierzchni półprzepuszczalnej (materiał katalizujcy), na której mona zaobserwowa wyrany spadek prdkoci spalin. Zaobserwowano powstawanie wirów na styku przepływajcych spalin, materiału katalizujcego. Nie stwierdzono wystpowania przegrzewania si płaszcza wodnego (rys. 7), co wiadczy, e zastosowana izolacja i prdko wody 44 MASZYNY GÓRNICZE 3/2013

5 chłodzcej została odpowiednio dobrana. Nie zaobserwowano równie wpływu płaszcza wodnego na rozkład temperatury w rdzeniu reaktora. Wyniki symulacji pozwalaj stwierdzi, e w całym przekroju poprzecznym rdzenia katalitycznego warto temperatury była taka sama, a tym samym warunki dla reakcji konwersji toksycznych składników spalin były takie same. Mona równie zaobserwowa dwa obszary prdkoci strumienia spalin w obszarze reaktora katalitycznego. Wysz prdko zaobserwowano w obszarze rodkowym przekroju poprzecznego. Zjawisko to zwizane jest ze zmian rednicy na drodze przepływu spalin. Rys.7. Rozkład temperatury w reaktorze katalitycznym [7] 4. Podsumowanie Drog do poprawy warunków rodowiska pracy i ograniczenia zagroenia wynikajcego z emisji toksycznych składników spalin górniczego napdu spalinowego jest, midzy innymi zastosowanie w układzie wylotowym górniczego napdu spalinowego reaktora katalitycznego. Wszystkie zespoły wchodzce w skład układu wylotowego powinny spełnia wymagania zwizanie z eksploatacj w przestrzeniach zagroonych atmosfer wybuchow. W artykule przedstawiono symulacje przepływu spalin w obszarze układu wylotowego reaktora katalitycznego z wykorzystaniem metod numerycznych w rodowisku Ansys Fluent. Jako warunki brzegowe przyjto teoretycznie najbardziej niekorzystne warunki pracy silnika spalinowego. Wyniki symulacji pozwoliły stwierdzi, e zabezpieczenie reaktora płaszczem wodnym nie wpływa negatywnie na prac rdzenia katalitycznego. Wykonane obliczenia zostan poddane walidacji na modelu rzeczywistym, w celu sprawdzenia poprawnoci zastosowanego modelu numerycznego. Wykonanie bada dowiadczalnych na stanowisku badawczym pozwoli na okrelenie porowatoci materiału katalizujcego i współczynnika przepuszczalnoci. Uzyskane dane z bada pozwol równie na dokładne odwzorowanie zachowania si strugi spalin w przewodzie reaktora. Literatura 1. Gicala B., Turewicz A.: Metoda numerycznej mechaniki płynów w projektowaniu maszyn i urzdze górniczych. Maszyny Górnicze 2011, nr 4, s Kaczmarczyk K.: Napdy spalinowe w wyrobiskach górniczych zagroonych atmosfer wybuchow W: IV International Kongres on Combustion Engines, Radom czerwiec 2011, PTNSS SC Kaczmarczyk K.: Obróbka spalin na drodze układu wylotowego górniczego napdu spalinowego. ITG KOMAG Gliwice 2012 (materiały nie publikowane). 4. Ogrodzki A.: Chłodzenie trakcyjnych silników spalinowych. WKiŁ, Warszawa Szlzak N., Borowski M.: Zanieczyszczenie powietrza spalinami w wyrobiskach dronych z wykorzystaniem maszyn napdzanych silnikami Diesla. Budownictwo Górnicze i Tunelowe 2005, nr 4, s Sporysz G., Szlzak N.: Wpływ podziemnych pojazdów górniczych z napdem spalinowym na stan zagroenia atmosfery kopalnianej. W: VII Midzynarodowa konferencja, Bezpieczestwo Pracy Urzdze Transportowych w Górnictwie, Ustro 8-10 listopad Turewicz A.: Obliczenia numeryczne parametrów spalin oraz cieczy chłodzcej na drodze układu wylotowego ITG KOMAG Gliwice 2012 (materiały nie publikowane). Artykuł wpłynł do redakcji w sierpniu 2013 r. MASZYNY GÓRNICZE 3/