книги / Метанол как топливо для транспортных двигателей

Рис. 4 Л 5 . Реакционная камера с продольны?.! секционирова­ нием катализаторного слоя: Î - выпускной пат­ рубок ДВС; 2а - б х о д метанола; 2в - выход

продуктов конверсии; За - высокотемпературный катализатор; 3D - низкотемпературный катали­

затор

скного патрубка. В выпускных патрубках установлены дроссельные

температур отработавшими газами всех цилиндров обогревается толь­ ко один из малых реакторов, а по мере увеличения нагрузки включа­ ются в работу остальные.

В другом варианте конструкции реактора, изображенном на рис. 4.14 [16], выпускные каналы отдельных цилиндров не сообща­

ются между собой, что позволяет предотвратить потерю импульса выпускаемых из цилиндров газов и способствовать увеличению коэф­ фициента теплоотдачи. Отличительной особенностью рассматриваемого варианта конструкции является размещение катализатора вокруг вы­ пускного патрубка, что уменьшает тепловые потери из отработавших

газов и увеличивает температурный напор к катализатору.

Недостаток обеих конструкций заключается в ярко выраженно.4

"входном эффекте” - перегреве слоев катализатора, лежащих первыми по току отработавших газов. Отрицательное влияние "входного эф­ фекта” можно уменьшить'путем продольного секционирования реакци­

онной камеры, как это показано на рис. 4.15 35[ ] Первая по току отработавших газов секция заполнена высокотемпературным катализа­ тором’, а последующая - низкотемпературным. Однако этому решению

присущи двр серьезных недостатка: сложности в эксплуатации, свя-

бильный реактор

с тепловыми акку­

муляторами: I -

корпус; 2 - теп­

лоизоляция; 3 -

катализатор; 4 -

тепловой аккуму­

лятор

занные с неодинаковыми сроками регенерации или

замены катализаторов; выключение из работы высокотемпературного

катализаторного слоя на режимах малых нагрузок и низких темпера­ тур отработавших газов. Более целесообразным способом термической

защиты катализатора, к тому же повышающим его производительность

в условиях переменных нагрузок, является использование тепловых аккумуляторов [i ] . Автомобильный реактор, содержащий столбик из

пакетов катализатора, которые чередуются с пакетами теплоаккуму­ лирующих гранул, выполненных из высокотеплопроводного материала,

показан на рис. 4.16. Развитая поверхность тегуговых аккумуляторов обеспечивает высокую интенсивность теплообмена с отработавшими

газами и сглаживание температурных колебаний. Достигается это, однако, ценой существенного ухудшения габаритно-массовых характе­ ристик реактора.

Большими возможностями для интенсификации теплообмена и

сглаживания температурных пульсаций отработавших газоБ в'широком интервале нагрузок обладают тепловые трубы,или иначе трубы Пер­ кинса. В простейшем варианте тепловая труба представляет собой металлический гладкостенный герметически закрытый цилиндр, уста­ новленный вертикально или наклонно и примерно на10 %заполненный

жидким теплоносителем, которым может быть обыкновенная вода. Для переноса тепла используется явление фазового перехода жидкость - пар при нагревании теплоносителя у нижнего входного для тепла конца трубы и обратного перехода пар - жццкость на верхнем выход­

размещены выходные концы тепловых труб. Тепловой поток из отрабо­ тавших газов к катализатору движется преимущественно по трубам, поскольку тепловое .сопротивление здесь значительно меньшее, чем на поверхности контактирования выхлопной камеры с каталитическим насадком.Отметим, что тепловые трубы одновременно являются высо­ коемкими тепловыми аккумуляторами.^ Слабым местом рассматриваемого устройства явилась недостаточная интенсивность теплоотдачи от отработавших газов к тепловым трубам, ставшая причиной появления усложняющего конструкцию элемента - выхлопной камеры. В этой

связи значительный интерес вызывает возможность увеличения коэф­

фициента теплоотдачи от отработавших газов способом контактного теплообмена в кипящем слое дисперсного теплоносителя. Для псевдо­ кипящего слоя твердых частиц, как и для тепловой трубы, характе­

рны малый перепад температур мевду входом и выходом теплового по­ тока и аккумулирование тепла.

Авторами выполнено экспериментальное исследование контакт­ ного теплообмена на лабораторной установке, моделирующей условия работы автомобильного реактора [3 1 ] • Установка содержала тепло­

обменник типа труба в трубе, схематически изображенный на рис.

Рис. 4Л 7 . Автомобильный реактор с тепловыми трубами

4.IÔ. Во внутренней трубе диаметром 20 мм и длиной 370 мм поме­

щался каталитический насадок. Горячий воздух для обогрева подво­

дился в нижнюю часть межтрубного пространства, а предварительно испаренный метанол - в соответствии с принципом противотока - в верхнюю часть внутренней трубы. Было выполнено две серии экспери­ ментов с термометрированием межтрубного пространства и каталиэа-

торного слоя. В первой серии теплоподвод осуществлялся, только горячим воздухом, во второй - горячим воздухом в кипетцем слое электрокорунда фракции 200 мкм. В обеих сериях поддерживались

I Метанол

Ш2. W //Jé

-- - - - - теплоноситель - воздух;

-- - - - - - теплоноситель - порошок корунда

Рис. 4.19. Автомобильный реактор с контактным,

щим слоем дисперсного теплоносителя градиент температуры по высо­

те межтрубного пространства существенно ниже, чем в случае подво­ да тепла потоком воздуха. Уменьшение перепада температуры по вы­ соте слоя катализатора* от 50 К до 25 К позволило увеличить отно­ сительную производительность реактора в ï,6 раза.

Конструкция трубчатого автомобильйого реактора, реализующая, контактный способ теплообмена, изображена на рис. 4 Л 9 f2] . Ре­ актор содержит корпус I, помещенный в теплоизолирующую.оболочку2

Рис. 4.20. Профили температур

по катализатору и кипящему слою теплоносителя. Режим:

Va = 15 км/ч;

О I • - катализатор о ниж­

нем и верхнем ярусах трубок; Д , к - кипящий теплоноси­

тель о местах входа и выхода

ОГ двигателя

с зазором, образующим вокруг корпуса кольцевую полость для прохода отработавших газов. Внутри корпуса ! расположены тепло­

обменные трубы 3, заполненные катализатором 4 и образующие реак­ ционную камеру. Трубы 3 одним концом сообщаются с входным коллек­ тором 5 реактора, а другим - с его выходным коллектором6 . Вход­ ной коллектор через испарительную трубу 7, заполненную пористым

высокотеплопроводным материалом В, присоединяется-к топливному

насосу. Выходной коллектор реактора через топливовоздушный сме­ ситель 9 сообщается с впускными каналами Ï0 рабочих цилиндров И двигателя. Межтрубное пространство корпуса I разделено при помощи перегородок на секции по числу цилиндров двигателя. Каждая секция'

снабжена отверстиями для впуска отработавших газов. В отверстиях установлены сепараторы*12 для удержания дисперсного материала 13, частично заполняющего секции. К впускным отверстиям секций присо­

единены каналы Î4 для выпуска отработавших газов из цилиндров двигателя.

Температурные характеристики экспериментального образца описанного реактора, имевшего объем реакционной камеры2 л, пред­ ставлены на рис. 4.20. Реактор был установлен на автомобиле с ра­

бочим объемом двигателя 2,45 л. Испытания проводились на ролико-

.вом стенде в режиме установившегося движения автомобиля со скоро­

стью 15 км/ч. Различие мезеду температурой греющего теплоносителя по секциям реактора вызвано цилиндровой неравномерность» работы двигателя и, отчасти, условиями теплоотдачи. Перепад температур катализатора в каздой из секций не превышал 25 К (за­ штрихованная зона на рис. 4.20). Производительность реактора на

этом режиме составила 1,63 кг/ч, что соответствует 60%потребно­

сти двигателя в топливе.

Создание экономичного экологически чистого водородного дви­

гателя, работающего ка продуктах конверсии метанола с термохими­ ческой системой регенерации тепла отработавших газов, является

технически решаемой задачей* Успех данной разработки в большой мере, будет зависеть от подбора эффективных катализаторов с повы­ шенной объемной скоростью и пониженной рабочей температурой; а

также от согласования характеристик реактора конверсии метанола и двигателя, особенно на режимах холодного пуска, ускорения, тор­

можения и остановки*